JP3931876B2 - Magnetoresistive device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は,磁気抵抗デバイス及びその製造方法に関し,特に,トンネル磁気抵抗効果(TMR効果)を示す磁気トンネル接合(MTJ)を含む磁気抵抗デバイス及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a magnetoresistive device and a manufacturing method thereof, and more particularly to a magnetoresistive device including a magnetic tunnel junction (MTJ) exhibiting a tunnel magnetoresistive effect (TMR effect) and a manufacturing method thereof.
2つの強磁性体層と,これらの強磁性体層に挟まれたトンネル障壁層(トンネル絶縁層)とで構成される磁気トンネル接合は,該強磁性体層の磁化の相対方向に依存して,その抵抗が大きく変化する。このような現象は,トンネル磁気抵抗効果と呼ばれる。磁気トンネル接合の抵抗を検出することにより,強磁性体層の磁化の方向を判別することが可能である。このような磁気トンネル接合の性質を利用して,磁気トンネル接合を含む磁気抵抗デバイスは,不揮発的にデータを保持する磁気ランダムアクセスメモリ(MRAM),及びハードディスク用の磁気読み取りヘッドに適用される。 A magnetic tunnel junction composed of two ferromagnetic layers and a tunnel barrier layer (tunnel insulating layer) sandwiched between these ferromagnetic layers depends on the relative direction of magnetization of the ferromagnetic layers. , Its resistance changes greatly. Such a phenomenon is called a tunnel magnetoresistance effect. By detecting the resistance of the magnetic tunnel junction, it is possible to determine the magnetization direction of the ferromagnetic layer. Utilizing such a property of the magnetic tunnel junction, the magnetoresistive device including the magnetic tunnel junction is applied to a magnetic random access memory (MRAM) that holds data in a nonvolatile manner and a magnetic read head for a hard disk.
磁気トンネル接合を含む磁気抵抗素子は,典型的には,固定強磁性層と,自由強磁性層と,固定強磁性層と自由強磁性層との間に介設されたトンネル絶縁層とを含んで構成される。固定強磁性層は,向きが固定された自発磁化を有し,自由強磁性層は,向きが反転可能な自発磁化を有している。 A magnetoresistive element including a magnetic tunnel junction typically includes a fixed ferromagnetic layer, a free ferromagnetic layer, and a tunnel insulating layer interposed between the fixed ferromagnetic layer and the free ferromagnetic layer. Consists of. The fixed ferromagnetic layer has a spontaneous magnetization whose direction is fixed, and the free ferromagnetic layer has a spontaneous magnetization whose direction can be reversed.
自発磁化の向きを強固に固定するために,固定強磁性層は,しばしば,反強磁性層に接合して形成される。反強磁性層が固定強磁性層に与える交換相互作用は,固定強磁性層の自発磁化を強固に固定する。反強磁性層は,一般に,IrMn,PtMnのようなMnを含む反強磁性体で形成される。 In order to firmly fix the direction of spontaneous magnetization, the pinned ferromagnetic layer is often formed bonded to the antiferromagnetic layer. The exchange interaction that the antiferromagnetic layer gives to the pinned ferromagnetic layer firmly fixes the spontaneous magnetization of the pinned ferromagnetic layer. The antiferromagnetic layer is generally formed of an antiferromagnetic material containing Mn such as IrMn and PtMn.
更に,自由強磁性層は,しばしば,高いスピン分極率を有する強磁性体で形成されたハード強磁性層と,ソフトな強磁性体で形成されたソフト強磁性層とで構成される。このような自由強磁性層の構造は,磁気トンネル接合の磁気抵抗変化率(MR比)を大きくしながら,自由強磁性層の自発磁化の反転磁界(あるいは抗磁場,又は保磁力)を低減することを可能にする。ハード強磁性層は,一般に,Co,CoFe等のCoを含む強磁性体で形成され,ソフト強磁性層は,一般に,NiFe等のNiを含む強磁性体で形成される。 Furthermore, the free ferromagnetic layer is often composed of a hard ferromagnetic layer made of a ferromagnetic material having a high spin polarizability and a soft ferromagnetic layer made of a soft ferromagnetic material. Such a free ferromagnetic layer structure reduces the reversal field (or coercive field or coercive force) of the spontaneous magnetization of the free ferromagnetic layer while increasing the magnetoresistance change rate (MR ratio) of the magnetic tunnel junction. Make it possible. The hard ferromagnetic layer is generally formed of a ferromagnetic material including Co such as Co or CoFe, and the soft ferromagnetic layer is generally formed of a ferromagnetic material including Ni such as NiFe.
磁気抵抗素子の課題の一つは,熱的な安定性である。磁気抵抗素子に高い温度が加えられると,磁気抵抗素子を構成する層の間で相互拡散が発生する。この相互拡散は,磁気抵抗素子の特性,特にMR比を劣化させる。例えば,特許文献1は,ハード強磁性層とソフト強磁性層との間の相互拡散の問題を指摘している。特に問題になるのは,ソフト強磁性層に含まれるNiがハード強磁性層に拡散することである。Niのハード強磁性層への拡散は,磁気抵抗素子の特性を劣化させる。特許文献1は,ハード強磁性層とソフト強磁性層との間に,相互拡散を防止する酸化膜又は窒化膜を設けることを開示している。特許文献2は,Mnを含む反強磁性体からMnが固定強磁性層に拡散する問題を指摘している。特許文献2は,固定強磁性層を2つの強磁性層と,該強磁性層の間に介設された絶縁層又はアモルファス磁性層とで形成することにより,Mnの固定強磁性層への拡散を防止する技術を開示している。特許文献3は,固定強磁性層及び自由強磁性層に酸化物磁性層を挿入することにより磁気抵抗素子の熱的安定性を向上する技術を開示している。特許文献4は,自由強磁性層と,自由強磁性層の結晶性を向上するために自由強磁性層の下に形成されるバッファ層との間の相互拡散の問題を指摘している。特許文献4は,酸化物,窒化物,炭化物,ホウ化物,フッ化物などからなる原子拡散バリヤ層を自由強磁性層とバッファ層との間に形成することにより,バッファ層と熱拡散を抑制し,熱安定性を向上する技術を開示している。
磁気抵抗素子の課題の他の一つは,自由強磁性層の反転磁界の低減である。ハード強磁性層とソフト強磁性層との積層構造体で形成された自由強磁性層は,大きなMR比を確保しようとすると,充分に反転磁界が低減できない場合がある。 Another problem with magnetoresistive elements is the reduction of the reversal field of the free ferromagnetic layer. In a free ferromagnetic layer formed of a laminated structure of a hard ferromagnetic layer and a soft ferromagnetic layer, the reversal magnetic field may not be sufficiently reduced in order to secure a large MR ratio.
自由強磁性層の反転磁界の低減は,自由強磁性層の磁化Msと膜厚tの積(以下,「積Ms×t」という。)を減少することによって達成可能である。以下は,その理由の説明である。自由強磁性層が一軸異方性を有する場合,該自由強磁性層の反転磁界は,自由強磁性層の全異方性磁界によって決定される。サブミクロンオーダーのサイズを有する磁気抵抗素子では,自由強磁性層の形状異方性による異方性磁界が,自由強磁性層の全異方性磁界の殆どを占める。したがって,自由強磁性層の反転磁界は,形状異方性による異方性磁界(anisotropy field)Haに近似できる。この場合,異方性磁界Haは,下記式(1):
Ha=4πMs(Nx−Ny), …(1)
で表される。ここにおいて,Msは,自由強磁性層の飽和磁化であり,Nx及びNyは,それぞれ,磁気抵抗素子の短辺方向の反磁界係数,及び長辺方向の反磁界係数である。自由強磁性層の膜厚が一定の場合,磁気抵抗素子の長辺と短辺の長さの比(アスペクト比)が増大するほどNx−Nyは増大し,ゆえに,形状異方性に起因する異方性磁界Haも増大する。更に,自由強磁性層のサイズの減少とともに反磁界係数は増大するため,自由強磁性層のサイズが小さくなると反磁界及び異方性磁界Haは増大する。アスペクト比が固定である場合,異方性磁界Haは,下記式(2):
Ha〜4πMs×t/W, …(2)
で近似される。ここにおいてWは,自由強磁性層の短辺の長さであり,tは,自由強磁性層の膜厚である。式(2)は,自由強磁性層の反転磁界は,Ms×tを減少させることによって減少させることができることを示している。一般には,自由強磁性層の膜厚tを薄くすることによってMs×tを低減させ,もって自由強磁性層の反転磁界の低減を実現できる。
Reduction of the switching field of the free ferromagnetic layer can be achieved by reducing the product of magnetization M s and film thickness t of the free ferromagnetic layer (hereinafter referred to as “product M s × t”). The following is an explanation of the reason. When the free ferromagnetic layer has uniaxial anisotropy, the switching magnetic field of the free ferromagnetic layer is determined by the total anisotropic magnetic field of the free ferromagnetic layer. In a magnetoresistive element having a submicron order size, the anisotropic magnetic field due to the shape anisotropy of the free ferromagnetic layer occupies most of the total anisotropic magnetic field of the free ferromagnetic layer. Thus, the switching field of the free ferromagnetic layer can be approximated to the anisotropy field (anisotropy field) H a due to the shape anisotropy. In this case, the anisotropic magnetic field Ha is expressed by the following formula (1):
H a = 4πM s (N x −N y ), (1)
It is represented by Here, M s is the saturation magnetization of the free ferromagnetic layer, and N x and N y are the demagnetizing factor in the short side direction and the demagnetizing factor in the long side direction of the magnetoresistive element, respectively. When the thickness of the free ferromagnetic layer is constant, N x -N y as long sides and the ratio of the length of the short side of the magneto-resistive element (aspect ratio) increases will increase and thus, the shape anisotropy anisotropic magnetic field H a that also due to an increase. Furthermore, the free demagnetizing factor with a decrease in size of the ferromagnetic layers is to increase, the free size of the ferromagnetic layer is reduced demagnetizing field and anisotropy field H a increases. If the aspect ratio is fixed, the anisotropy field H a is represented by the following formula (2):
H a -4πM s × t / W, (2)
Is approximated by Here, W is the length of the short side of the free ferromagnetic layer, and t is the thickness of the free ferromagnetic layer. Equation (2) shows that the switching field of the free ferromagnetic layer can be reduced by reducing M s × t. In general, by reducing the film thickness t of the free ferromagnetic layer, M s × t can be reduced, thereby reducing the switching magnetic field of the free ferromagnetic layer.
発明者は,熱処理が行われたときに,磁気抵抗素子と該磁気抵抗素子を他の素子に電気的に接続する導体との間で発生する相互拡散が,磁気抵抗素子の特性に悪影響を及ぼすことを見出した。磁気抵抗素子を機能させるためには,磁気抵抗素子を他の素子(例えばトランジスタ)に電気的に接続する必要がある。このため,磁気抵抗素子は,他の素子に電気的に接続された導体(例えば,ビア及び配線)に接続される。このような導体は,一般に,他の半導体集積回路と同様にAl,Cu,W,及びTiNで形成される。Ta,Ru,Zr,及びMo層が磁気抵抗素子と他の素子とを電気的に接続する導体として使用されることもある。磁気抵抗素子を他の素子に電気的に接続する導体と,磁気抵抗素子との間の相互拡散の影響として,以下の3つが挙げられる。 The inventor has found that the interdiffusion generated between the magnetoresistive element and the conductor that electrically connects the magnetoresistive element to another element adversely affects the characteristics of the magnetoresistive element when heat treatment is performed. I found out. In order for the magnetoresistive element to function, it is necessary to electrically connect the magnetoresistive element to another element (for example, a transistor). For this reason, the magnetoresistive element is connected to a conductor (for example, via and wiring) electrically connected to another element. Such a conductor is generally formed of Al, Cu, W, and TiN as in other semiconductor integrated circuits. The Ta, Ru, Zr, and Mo layers may be used as conductors that electrically connect the magnetoresistive element and other elements. As the influence of mutual diffusion between the conductor that electrically connects the magnetoresistive element to another element and the magnetoresistive element, there are the following three.
第1に,該導体を構成する材料が磁気トンネル接合に拡散すると,磁気トンネル接合のMR比が劣化する。特に,該導体がAlを含む場合には,Alは比較的に低い温度によって拡散するため,Alの磁気トンネル接合への拡散の問題は重大である。また,該導体を構成する材料,特にAlが反強磁性層やソフト強磁性層に拡散することによって,反強磁性層のMnやソフト強磁性層のNiのトンネル障壁層への拡散が一層に促進させられるため,該導体を構成する材料の磁気抵抗素子への拡散の問題は重大である。 First, when the material constituting the conductor diffuses into the magnetic tunnel junction, the MR ratio of the magnetic tunnel junction deteriorates. In particular, when the conductor contains Al, since Al diffuses at a relatively low temperature, the problem of diffusion of Al into the magnetic tunnel junction is serious. In addition, the diffusion of Mn of the antiferromagnetic layer and Ni of the soft ferromagnetic layer into the tunnel barrier layer is further enhanced by diffusion of the material constituting the conductor, particularly Al, into the antiferromagnetic layer and the soft ferromagnetic layer. In order to be promoted, the problem of diffusion of the material constituting the conductor into the magnetoresistive element is serious.
第2に,磁気抵抗素子を構成する材料が,磁気抵抗素子と他の素子とを電気的に接続する導体に拡散すると,該導体の抵抗が増大する。導体の抵抗率の増大は,磁気トンネル接合の抵抗の検出のSN比を劣化させる。特に,反強磁性体に含まれるMn,及びソフト強磁性層に含まれるNiは,比較的に低い温度によって拡散するため,Mn及びNiの拡散による抵抗の増大の問題は重大である。 Second, if the material constituting the magnetoresistive element diffuses into a conductor that electrically connects the magnetoresistive element and another element, the resistance of the conductor increases. An increase in the resistivity of the conductor deteriorates the SN ratio for detecting the resistance of the magnetic tunnel junction. In particular, Mn contained in the antiferromagnetic material and Ni contained in the soft ferromagnetic layer diffuse at a relatively low temperature, so the problem of increased resistance due to diffusion of Mn and Ni is serious.
第3に,自由強磁性層を構成する材料が,熱処理によって該自由強磁性層を他の素子に電気的に接続する導体に拡散することは,自由強磁性体の膜厚tを薄くすることによって反転磁界の低減を実現することを困難にする。なぜなら,自由強磁性層の膜厚tが薄い場合に熱処理による拡散が発生すると,自由強磁性層の特性が大きく変動し,磁気抵抗素子の動作の信頼性を損なうからである。図26は,膜厚tが薄い自由強磁性層の4πMs×tの,熱処理による影響を示すグラフである。自由強磁性層の特性は,下記の条件で測定されている:測定された試料の構造は,
基板/Ta(10nm)/AlOx/Ni81Fe19/Ta(10nm)
である。AlOx膜は,1.5nmのAL膜が酸化されて形成されている。Ni81Fe19膜は,その厚さが,3.0nm,2.6nm,2.2nmのうちから選択されている。Ni81Fe19膜は,スパッタリングによって形成されている。熱処理の温度は,250〜400℃,時間は,30minである。磁化Msは,振動式磁力計によって測定されている。
Third, the diffusion of the material constituting the free ferromagnetic layer into the conductor that electrically connects the free ferromagnetic layer to other elements by heat treatment reduces the thickness t of the free ferromagnetic material. This makes it difficult to reduce the reversal magnetic field. This is because when the free ferromagnetic layer has a small thickness t and diffusion due to heat treatment occurs, the characteristics of the free ferromagnetic layer greatly fluctuate and the operation reliability of the magnetoresistive element is impaired. FIG. 26 is a graph showing the effect of heat treatment on 4πM s × t of a free ferromagnetic layer with a thin film thickness t. The properties of the free ferromagnetic layer are measured under the following conditions: The measured sample structure is
Substrate / Ta (10 nm) / AlOx / Ni 81 Fe 19 / Ta (10 nm)
It is. The AlOx film is formed by oxidizing a 1.5 nm AL film. The thickness of the Ni 81 Fe 19 film is selected from 3.0 nm, 2.6 nm, and 2.2 nm. The Ni 81 Fe 19 film is formed by sputtering. The heat treatment temperature is 250 to 400 ° C., and the time is 30 minutes. The magnetization M s is measured by a vibrating magnetometer.
図26に示されているように,Ni81Fe19膜の膜厚tが3.0nm以下であると,熱処理によって4πMs×tが激しく変化し,更に,膜厚tの減少及び処理温度の増大に対して4πMs×tは,急激に減少する。これらの試料は,その再現性が乏しい。このように,膜厚tが3nmであると,自由強磁性層の4πMs×tは,熱処理に対して不安定になる。かかる不安定性は,自由強磁性体の膜厚tを薄くすることを妨げる。 As shown in FIG. 26, when the film thickness t of the Ni 81 Fe 19 film is 3.0 nm or less, 4πM s × t changes drastically by the heat treatment, and further, the decrease in the film thickness t and the processing temperature For the increase, 4πM s × t decreases rapidly. These samples have poor reproducibility. Thus, when the film thickness t is 3 nm, 4πM s × t of the free ferromagnetic layer becomes unstable with respect to the heat treatment. Such instability prevents the film thickness t of the free ferromagnet from being reduced.
磁気抵抗素子と他の素子とを電気的に接続する導体と,該磁気抵抗素子との間の相互拡散を抑制する技術の提供が望まれる。 It is desired to provide a technique for suppressing mutual diffusion between a conductor that electrically connects a magnetoresistive element and another element and the magnetoresistive element.
本発明の目的は,磁気抵抗素子の熱的安定性を,一層に向上する技術を提供することにある。
本発明の他の目的は,磁気抵抗素子を他の素子に電気的に接続する導体(例えば,ビア及び配線)と,磁気抵抗素子を構成する層との間の相互拡散を防止することにより,磁気抵抗素子の熱的安定性を,一層に向上する技術を提供することにある。
本発明の更に他の目的は,磁気抵抗素子を構成する層に含まれる材料,特にNi,Mnが,磁気抵抗素子を他の素子に電気的に接続する導体に拡散することにより,該導体の抵抗率が増大する現象を防止する技術を提供することにある。
本発明の更に他の目的は,磁気抵抗素子を他の素子に電気的に接続する導体に含まれる材料が,磁気抵抗素子に拡散することにより,磁気抵抗素子の特性が劣化する現象を防止する技術を提供することにある。
本発明の更に他の目的は,磁気抵抗素子の固定強磁性層及び自由強磁性層内の磁気的結合および電気的結合を保ちつつ,磁気抵抗素子に含まれるMnやNiが磁気抵抗素子のトンネル絶縁層に拡散することによって磁気抵抗素子の特性が劣化する現象を防止する技術を提供することにある。
本発明の更に他の目的は,自由強磁性層を薄膜化し,もって反転磁界を低減することを可能にする技術を提供することにある。
本発明の更に他の目的は,自由強磁性層を構成する材料の拡散を防止し,自由強磁性層の薄膜化と反転磁界の低減とを可能にする技術を提供することにある。
本発明の更に他の目的は,自由強磁性層の磁気抵抗曲線の角型性を保ち反転磁界のバラツキを抑制しながら,反転磁界を低減させ,更に,磁気抵抗素子のアスペクト比及びサイズを小さくするための技術を提供することにある。
An object of the present invention is to provide a technique for further improving the thermal stability of a magnetoresistive element.
Another object of the present invention is to prevent interdiffusion between conductors (eg, vias and wiring) that electrically connect the magnetoresistive element to other elements and the layers constituting the magnetoresistive element, The object is to provide a technique for further improving the thermal stability of the magnetoresistive element.
Still another object of the present invention is to disperse a material contained in a layer constituting the magnetoresistive element, in particular, Ni, Mn, into a conductor that electrically connects the magnetoresistive element to another element. An object of the present invention is to provide a technique for preventing a phenomenon in which resistivity increases.
Still another object of the present invention is to prevent a phenomenon in which the characteristics of a magnetoresistive element deteriorate due to diffusion of a material contained in a conductor electrically connecting the magnetoresistive element to another element into the magnetoresistive element. To provide technology.
Still another object of the present invention is to maintain Mn and Ni contained in the magnetoresistive element in the tunnel of the magnetoresistive element while maintaining magnetic coupling and electrical coupling in the fixed ferromagnetic layer and the free ferromagnetic layer of the magnetoresistive element. An object of the present invention is to provide a technique for preventing a phenomenon in which the characteristics of a magnetoresistive element deteriorate due to diffusion into an insulating layer.
Still another object of the present invention is to provide a technique that makes it possible to reduce the reversal magnetic field by thinning the free ferromagnetic layer.
Still another object of the present invention is to provide a technique that prevents the diffusion of the material constituting the free ferromagnetic layer and makes it possible to reduce the thickness of the free ferromagnetic layer and reduce the switching field.
Still another object of the present invention is to reduce the reversal magnetic field while maintaining the squareness of the magnetoresistance curve of the free ferromagnetic layer and to suppress the variation of the reversal magnetic field, and further to reduce the aspect ratio and size of the magnetoresistive element. It is to provide a technique for doing this.
以下に,[発明を実施するための最良の形態]で使用される番号・符号を用いて,課題を解決するための手段を説明する。これらの番号・符号は,[特許請求の範囲]の記載と[発明を実施するための最良の形態]の記載との対応関係を明らかにするために付加されている。但し,付加された番号・符号は,[特許請求の範囲]に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。 Hereinafter, means for solving the problem will be described using the numbers and symbols used in [Best Mode for Carrying Out the Invention]. These numbers and symbols are added to clarify the correspondence between the description of [Claims] and the description of [Best Mode for Carrying Out the Invention]. However, the added numbers and symbols shall not be used for the interpretation of the technical scope of the invention described in [Claims].
本発明による磁気抵抗デバイスは,反転可能な自由自発磁化を有する自由強磁性層(10)と,固定された固定自発磁化を有する固定強磁性層(8)と,自由強磁性層(10)と固定強磁性層(8)との間に介設されたトンネル絶縁層(9)を含む磁気抵抗素子(4)と,磁気抵抗素子(4)を他の素子に電気的に接続する非磁性の導体(2,3,11,22)と,導体(2,3,11,22)と磁気抵抗素子(4)との間に設けられた拡散防止構造体(13,14,21)とを備えている。磁気抵抗素子(4)を他の素子に電気的に接続する非磁性の導体(2,3,11,22)とは,典型的には,ビア,及び配線層である。 A magnetoresistive device according to the present invention comprises a free ferromagnetic layer (10) having reversible free spontaneous magnetization, a fixed ferromagnetic layer (8) having fixed fixed spontaneous magnetization, a free ferromagnetic layer (10), A magnetoresistive element (4) including a tunnel insulating layer (9) interposed between the fixed ferromagnetic layer (8) and a nonmagnetic element for electrically connecting the magnetoresistive element (4) to another element A conductor (2, 3, 11, 22) and a diffusion prevention structure (13, 14, 21) provided between the conductor (2, 3, 11, 22) and the magnetoresistive element (4). ing. The nonmagnetic conductors (2, 3, 11, and 22) that electrically connect the magnetoresistive element (4) to other elements are typically vias and wiring layers.
拡散防止構造体(13,14,21)は,導体(2,3,11,22)を構成する材料の少なくとも一種が磁気抵抗素子(4)に拡散することを防止する機能を有するように形成される。更に,拡散防止構造体(13,14,21)は,磁気抵抗素子(4)を構成する材料の少なくとも一種が磁気抵抗素子(4)に拡散することを防止する機能を有するように形成される。 The diffusion prevention structure (13, 14, 21) is formed so as to have a function of preventing at least one of the materials constituting the conductor (2, 3, 11, 22) from diffusing into the magnetoresistive element (4). Is done. Furthermore, the diffusion preventing structure (13, 14, 21) is formed so as to have a function of preventing at least one of the materials constituting the magnetoresistive element (4) from diffusing into the magnetoresistive element (4). .
拡散防止構造体(13,14,21)が,導体(2,3,11,22)から磁気抵抗素子(4)への拡散と,磁気抵抗素子(4)から導体(2,3,11,22)への拡散との両方を防止する機能を有することは重要である。導体(2,3,11,22)から磁気抵抗素子(4)への拡散と磁気抵抗素子(4)から導体(2,3,11,22)への拡散とのうちの一方の発生は,他方の発生の原因となる。従って,酸化物層(13,14,21)が,これらの2つの拡散形態の両方を防止することは,磁気抵抗素子(4)の特性の向上の観点から極めて好適である。 The diffusion preventing structure (13, 14, 21) diffuses from the conductor (2, 3, 11, 22) to the magnetoresistive element (4) and from the magnetoresistive element (4) to the conductor (2, 3, 11, It is important to have the function of preventing both diffusion to 22). One of the diffusion from the conductor (2, 3, 11, 22) to the magnetoresistive element (4) and the diffusion from the magnetoresistive element (4) to the conductor (2, 3, 11, 22) is It causes the other occurrence. Therefore, it is extremely preferable that the oxide layers (13, 14, 21) prevent both of these two diffusion forms from the viewpoint of improving the characteristics of the magnetoresistive element (4).
このような構造は,導体(2,3,11,22)がAl,Cu,Ta,Ru,Zr,Ti,Mo,及びWからなる群から選択された少なくとも一の元素を含む場合に有効である。 Such a structure is effective when the conductor (2, 3, 11, 22) contains at least one element selected from the group consisting of Al, Cu, Ta, Ru, Zr, Ti, Mo, and W. is there.
拡散防止構造体(14)は,酸化物,窒化物,及び酸窒化物からなる群のうちから選択された一の材料で形成されることが好適である。これらの材料は,容易に緻密に形成可能であり拡散防止効果が大きい。拡散防止構造体(14)が導電性の窒化物で形成されることは,拡散防止構造体(14)の抵抗を減少させ,磁気抵抗素子(4)のSN比を有効に向上するため好ましい。拡散防止構造体(14)は,その上面及び下面で接する層を構成する元素に対し,酸素に対する結合のしやすさが同等以上である元素の酸化物から構成されることが好ましい。拡散防止構造体(14)は,その上面及び下面で接する層を構成する元素よりも窒化物生成自由エネルギーが低い元素の窒化物で形成されることが好ましい。同様に,拡散防止構造体(14)は,その上面及び下面で接する層を構成する元素よりも酸化物生成自由エネルギー及び窒化物生成自由エネルギーが低い元素の酸窒化物で形成されることが好適である。具体的には,拡散防止構造体(14)は,AlOx,MgOx,SiOx,TiOx,CaOx,LiOx,HfOx,AlN,AlNO,SiN,SiNO,TiNO,BN,HfNO,ZrNからなる群から選択された材料で形成されることが好適である。 The diffusion preventing structure (14) is preferably formed of one material selected from the group consisting of oxides, nitrides, and oxynitrides. These materials can be easily formed densely and have a large diffusion preventing effect. It is preferable that the diffusion prevention structure (14) is formed of a conductive nitride because the resistance of the diffusion prevention structure (14) is reduced and the SN ratio of the magnetoresistive element (4) is effectively improved. The diffusion preventing structure (14) is preferably composed of an oxide of an element that has an equal or greater ease of bonding to oxygen with respect to an element constituting a layer in contact with the upper and lower surfaces. The diffusion preventing structure (14) is preferably formed of a nitride of an element having a lower free energy for nitride formation than an element constituting a layer in contact with the upper and lower surfaces thereof. Similarly, the diffusion preventing structure (14) is preferably formed of an oxynitride of an element having lower oxide formation free energy and lower nitride formation free energy than the elements constituting the layers in contact with the upper and lower surfaces thereof. It is. Specifically, the diffusion prevention structure (14) is made of AlO x , MgO x , SiO x , TiO x , CaO x , LiO x , HfO x , AlN, AlNO, SiN, SiNO , TiNO, BN , HfNO, ZrN. Preferably, it is formed of a material selected from the group consisting of:
拡散防止構造体(13,14,21)が酸化物で形成される場合,トンネル絶縁層(9)と拡散防止構造体(13,14,21)とは,同一の材料で形成されることが好適である。このような構造は,トンネル絶縁層(9)と拡散防止構造体(13,14,21)の形成に必要なコストを有効に削減する。この場合,拡散防止構造体(13,14,21)は,トンネル絶縁層(9)よりも薄いことが好適である。加えて,自由強磁性層(10)の自発磁化の向きの検出のSN比を高くするためには,酸化物層(13,14,21)の厚さ方向の抵抗は,トンネル絶縁層(9)の厚さ方向の抵抗よりも低いことが好適である。 When the diffusion prevention structure (13, 14, 21) is formed of an oxide, the tunnel insulating layer (9) and the diffusion prevention structure (13, 14, 21) may be formed of the same material. Is preferred. Such a structure effectively reduces the cost required for forming the tunnel insulating layer (9) and the diffusion prevention structure (13, 14, 21). In this case, the diffusion prevention structure (13, 14, 21) is preferably thinner than the tunnel insulating layer (9). In addition, in order to increase the S / N ratio for detecting the direction of spontaneous magnetization of the free ferromagnetic layer (10), the resistance in the thickness direction of the oxide layers (13, 14, 21) is reduced by the tunnel insulating layer (9). It is preferable that the resistance is lower than the resistance in the thickness direction.
導体(2,3,11,22)が,トンネル絶縁層(9)を介さずに固定強磁性層(8)に電気的に接続される第1導体(2,11)と,トンネル絶縁層(9)を介さずに自由強磁性層(10)に電気的に接続される第2導体(3,22)とを含む場合,拡散防止構造体(13,14,21)は,第1導体(2,11)と固定強磁性層(8)との間に介設される第1拡散防止層(13)と,第2導体(3,22)と自由強磁性層(10)との間に介設される第2拡散防止層(14,21)とを含むことが好適である。このような構造は,固定強磁性層(8)と第1導体(2,11)との間の相互拡散,及び自由強磁性層(10)と第2導体(2,22)との間の相互拡散の両方を効果的に防止する。第1拡散防止層(13)と第2拡散防止層(14,21)とは,酸化物,窒化物,及び酸窒化物からなる群のうちから選択された一の材料で形成されることが好適である。 A conductor (2, 3, 11, 22) electrically connected to the pinned ferromagnetic layer (8) without passing through the tunnel insulating layer (9), and a tunnel insulating layer ( 9) including the second conductor (3, 22) that is electrically connected to the free ferromagnetic layer (10) without the interposition, the diffusion prevention structure (13, 14, 21) includes the first conductor (13, 14, 21). 2, 11) and the fixed ferromagnetic layer (8), between the first diffusion prevention layer (13), the second conductor (3, 22) and the free ferromagnetic layer (10). It is preferable to include an intervening second diffusion preventing layer (14, 21). Such a structure provides interdiffusion between the pinned ferromagnetic layer (8) and the first conductor (2, 11) and between the free ferromagnetic layer (10) and the second conductor (2, 22). It effectively prevents both interdiffusion. The first diffusion prevention layer (13) and the second diffusion prevention layer (14, 21) may be formed of one material selected from the group consisting of oxide, nitride, and oxynitride. Is preferred.
当該磁気抵抗デバイスは,Mnを含む層(7)を含む場合がある。PtMn,IrMnのような反強磁性体で形成された層は,典型的な,Mnを含む層(7)である。この場合,酸化物層(13)は,Mnを含む層(7)と導体(2,11)との間に介設されていることが好適である。更に当該磁気抵抗デバイスは,Niを含む層(10)を含む場合がある。NiFeのような磁気的にソフトな強磁性体で形成された層は,典型的な,Niを含む層(7)である。この場合,酸化物層(14,21)は,Niを含む層(10)と導体(3,22)との間に介設されていることが好適である。 The magnetoresistive device may include a layer (7) containing Mn. A layer formed of an antiferromagnetic material such as PtMn or IrMn is a typical Mn-containing layer (7). In this case, it is preferable that the oxide layer (13) is interposed between the layer (7) containing Mn and the conductors (2, 11). Further, the magnetoresistive device may include a layer (10) containing Ni. A layer formed of a magnetically soft ferromagnet such as NiFe is a typical Ni-containing layer (7). In this case, the oxide layers (14, 21) are preferably interposed between the Ni-containing layer (10) and the conductors (3, 22).
導体(2,3,11,22)が,トンネル絶縁層(9)を介さずに固定強磁性層(8)に電気的に接続される第1導体(2,11)を含み,酸化物層(13,14,21)が,酸化物で形成され,且つ,固定強磁性層(8)と第1導体(2,11)との間に介設される第1酸化物層(13)を含み,磁気抵抗素子(4)は,固定強磁性層(8)に接合され,且つ,Mnを含む反強磁性層(7)を更に含む場合,反強磁性層(7)は,固定強磁性層(8)と第1酸化物層(13)との間に位置することが好適である。かかる構造は,反強磁性層(7)から第1導体(2,11)へのMnの拡散を有効に防止できる。 The conductor (2, 3, 11, 22) includes a first conductor (2, 11) that is electrically connected to the fixed ferromagnetic layer (8) without the tunnel insulating layer (9), and the oxide layer (13, 14, 21) is formed of an oxide, and a first oxide layer (13) interposed between the pinned ferromagnetic layer (8) and the first conductor (2, 11) is provided. The magnetoresistive element (4) is bonded to the pinned ferromagnetic layer (8) and further includes an antiferromagnetic layer (7) containing Mn, the antiferromagnetic layer (7) It is preferably located between the layer (8) and the first oxide layer (13). Such a structure can effectively prevent diffusion of Mn from the antiferromagnetic layer (7) to the first conductor (2, 11).
固定強磁性層(8)は,トンネル絶縁層(9)に直接に接合する強磁性層(8b)と,強磁性層(8b)と反強磁性層(7)との間に挿入される複合磁性層(8a)とを含み,複合磁性層(8a)は,酸化されていない金属強磁性体を主成分とし,前記金属強磁性体よりも酸素と結合しやすく,且つ,非磁性の元素の酸化物を副成分として混合されて形成されていることが好適である。かかる構造を有する複合磁性層(8a)は,反強磁性層(7)から強磁性層(8b)に交換相互作用を伝達する一方で,反強磁性層(7)に含まれるMnのトンネル絶縁層(9)への拡散を有効に防止する。これにより,複合磁性層(8a)と強磁性層(8b)とを固定強磁性層(8)として機能させるとともに,Mnの拡散による磁気トンネル接合の劣化を抑制することができる。強磁性層(8b)と,複合磁性層(8a)に含まれる金属強磁性体は,Coを主成分とする金属強磁性合金から形成されていることが望ましい。Coはスピン分極率が高く,酸化されにくく,且つ,熱的に安定で拡散しにくい。 The fixed ferromagnetic layer (8) includes a ferromagnetic layer (8b) directly joined to the tunnel insulating layer (9) and a composite inserted between the ferromagnetic layer (8b) and the antiferromagnetic layer (7). The composite magnetic layer (8a) includes a non-oxidized metal ferromagnet as a main component, is more easily coupled to oxygen than the metal ferromagnet, and is a nonmagnetic element. It is preferable that the oxide is formed by mixing as an accessory component. The composite magnetic layer (8a) having such a structure transmits exchange interaction from the antiferromagnetic layer (7) to the ferromagnetic layer (8b), while tunnel insulation of Mn contained in the antiferromagnetic layer (7). Effectively prevents diffusion into layer (9). As a result, the composite magnetic layer (8a) and the ferromagnetic layer (8b) can function as the fixed ferromagnetic layer (8), and deterioration of the magnetic tunnel junction due to Mn diffusion can be suppressed. The ferromagnetic material contained in the ferromagnetic layer (8b) and the composite magnetic layer (8a) is preferably formed of a metallic ferromagnetic alloy containing Co as a main component. Co has a high spin polarizability, is not easily oxidized, and is thermally stable and difficult to diffuse.
自由強磁性層(10)は,トンネル絶縁層(9)に直接に接合する強磁性層(10a)と,強磁性層(10a)に接合され,且つ,酸化されていない金属強磁性体を主成分とし,前記金属強磁性体よりも酸素と結合しやすく,且つ,非磁性の元素の酸化物を副成分として混合されて形成されている複合磁性層(10b)とを含むことが好ましい。かかる構造を有する複合磁性層(10b)は,結晶磁気異方性が小さくなるために比較的に磁気的にソフトであり,Niを含まずに磁気的にソフトな自由強磁性層(10)を実現することを可能にする。 The free ferromagnetic layer (10) is mainly composed of a ferromagnetic layer (10a) that is directly bonded to the tunnel insulating layer (9), and a metal ferromagnetic material that is bonded to the ferromagnetic layer (10a) and is not oxidized. As a component, it is preferable to include a composite magnetic layer (10b) which is more easily bonded to oxygen than the metal ferromagnet and is formed by mixing an oxide of a nonmagnetic element as a subcomponent. The composite magnetic layer (10b) having such a structure is relatively magnetically soft because the magnetocrystalline anisotropy is small, and a magnetically soft free ferromagnetic layer (10) containing no Ni is formed. Make it possible to realize.
自由強磁性層(10)が,Niを含み,導体(2,3,11,22)が,トンネル絶縁層(9)を介さずに自由強磁性層(10)に電気的に接続される第2導体(3,22)を含む場合,酸化物層(13,14,21)は,酸化物で形成され,且つ,自由強磁性層(10)と第2導体(3,22)との間に介設される第2酸化物層(14,21)を含むことが好適である。このような構造は,第2導体(3,22)を構成する材料の磁気抵抗素子(4)への拡散を防止するとともに,自由強磁性層(10)に含まれるNiの第2導体(3,22)への拡散を防止する。 The free ferromagnetic layer (10) contains Ni, and the conductors (2, 3, 11, 22) are electrically connected to the free ferromagnetic layer (10) without going through the tunnel insulating layer (9). When two conductors (3, 22) are included, the oxide layer (13, 14, 21) is formed of an oxide, and between the free ferromagnetic layer (10) and the second conductor (3, 22). It is preferable that the second oxide layer (14, 21) interposed between the first and second oxide layers is included. Such a structure prevents the material constituting the second conductor (3, 22) from diffusing into the magnetoresistive element (4), and at the same time prevents the Ni second conductor (3 included in the free ferromagnetic layer (10)). , 22) is prevented.
この場合,前記第2酸化物層(14)は,自由強磁性層(10)を構成し,Niを含むNi含有強磁性膜(10,10c)に直接に接することが好適である。この構造は,Ni含有強磁性膜(10,10c)の組成ずれを防止し,磁気抵抗素子(4)の特性を向上する。 In this case, it is preferable that the second oxide layer (14) constitutes a free ferromagnetic layer (10) and is in direct contact with the Ni-containing ferromagnetic film (10, 10c) containing Ni. This structure prevents the composition shift of the Ni-containing ferromagnetic film (10, 10c) and improves the characteristics of the magnetoresistive element (4).
自由強磁性層(10)は,Niを含まず,且つ,トンネル絶縁層(9)に直接に接合する第1強磁性層(10a)と,第1強磁性層に接合され,且つ,酸化されていない金属強磁性体を主成分とし,前記金属強磁性体よりも酸素と結合しやすく,且つ,非磁性の元素の酸化物を副成分として混合されて形成されている複合磁性層(10b)と,複合磁性層(10b)に接合され,Niを含み,且つ,複合磁性層(10b)及び第1強磁性層(10a)よりも磁気的にソフトである第2強磁性層(10c)とを含むことも好適である。複合磁性層(10b)は,第2強磁性層(10c)からトンネル絶縁層(9)へのNiの拡散を防止する一方,第2強磁性層(10c)から第1強磁性層(10a)への交換相互作用を媒介する。これにより,磁気的にソフトであり,且つ,Niのトンネル絶縁層(9)への拡散が発生しない磁気抵抗デバイスが実現可能になる。第1強磁性層(10a)と複合磁性層(10b)に含まれる金属強磁性体とは,Coを主成分とする金属強磁性合金から形成されていることが望ましい。Coはスピン分極率が高く,酸化されにくく,且つ,熱的に安定で拡散しにくい。 The free ferromagnetic layer (10) does not contain Ni and is joined to the first ferromagnetic layer (10a) directly joined to the tunnel insulating layer (9) and the first ferromagnetic layer, and is oxidized. A composite magnetic layer (10b) comprising a non-metallic ferromagnet as a main component, being more easily coupled to oxygen than the metal ferromagnet, and being mixed with an oxide of a nonmagnetic element as a subcomponent A second ferromagnetic layer (10c) that is bonded to the composite magnetic layer (10b), contains Ni, and is magnetically softer than the composite magnetic layer (10b) and the first ferromagnetic layer (10a); It is also suitable to contain. The composite magnetic layer (10b) prevents diffusion of Ni from the second ferromagnetic layer (10c) to the tunnel insulating layer (9), while the second ferromagnetic layer (10c) to the first ferromagnetic layer (10a). Mediates exchange interactions with This makes it possible to realize a magnetoresistive device that is magnetically soft and does not cause Ni to diffuse into the tunnel insulating layer (9). The metal ferromagnetic material included in the first ferromagnetic layer (10a) and the composite magnetic layer (10b) is preferably formed of a metal ferromagnetic alloy containing Co as a main component. Co has a high spin polarizability, is not easily oxidized, and is thermally stable and difficult to diffuse.
自由強磁性層(10)は,トンネル絶縁層(9)に直接に接合する第1強磁性層(10d)と,第1強磁性層(10d)に接合され,且つ,酸化されていない金属強磁性体と非磁性の金属の酸化物とが混合されて形成されている第1複合磁性層(10e)と,酸化されていない金属強磁性体と非磁性の金属の酸化物とが混合されて形成されている第2複合磁性層(10g)と,第1複合磁性層(10e)と第2複合磁性層(10g)との間に介設され,第1複合磁性層(10e)と第2複合磁性層(10g)とを反強磁性的に結合する非磁性層(10f)とを含むことが好適である。非磁性層(10f)は,第2複合磁性層(10g)の自発磁化と,第1複合磁性層(10e)及び第1強磁性層(10d)の自発磁化とを反平行に保ち,これにより,自由強磁性層(10)を一層に磁気的にソフトにする。かかる構造は,Niを使用せずに自由強磁性層(10)を磁気的にソフトにすることを可能にする。 The free ferromagnetic layer (10) includes a first ferromagnetic layer (10d) directly bonded to the tunnel insulating layer (9) and a metal strong magnetic layer bonded to the first ferromagnetic layer (10d) and not oxidized. A first composite magnetic layer (10e) formed by mixing a magnetic material and a nonmagnetic metal oxide, and a non-oxidized metal ferromagnetic material and a nonmagnetic metal oxide are mixed. The second composite magnetic layer (10g) formed, and interposed between the first composite magnetic layer (10e) and the second composite magnetic layer (10g), and the first composite magnetic layer (10e) and the second composite magnetic layer (10g) It is preferable to include a nonmagnetic layer (10f) that antiferromagnetically couples the composite magnetic layer (10g). The nonmagnetic layer (10f) keeps the spontaneous magnetization of the second composite magnetic layer (10g) and the spontaneous magnetization of the first composite magnetic layer (10e) and the first ferromagnetic layer (10d) antiparallel, thereby The free ferromagnetic layer (10) is made magnetically softer. Such a structure allows the free ferromagnetic layer (10) to be magnetically soft without using Ni.
自由強磁性層(10)を一層に磁気的にソフトにするためには,自由強磁性層(10)は,更に,第2複合磁性層(10g)に接合され,Niを含み,且つ,第1複合磁性層(10e),第2複合磁性層(10g)及び第1強磁性層(10d)よりも磁気的にソフトである第2強磁性層(10h)を含むことが好適である。第2強磁性層(10h)が含むNiは,自由強磁性層(10)を一層に磁気的にソフトにする。Niがトンネル絶縁層(9)に拡散するという問題は,第1複合磁性層(10e),及び第2複合磁性層(10g)がNi拡散を防止するため回避可能である。更に,Niが自由強磁性層(10)に電気的に接続される第2導体(3,22)に拡散するという問題は,自由強磁性層(10)と第2導体(3,22)との間に,酸化物で形成された第2酸化物層(14)が設けられることにより回避可能である。第1強磁性層(10d)と,前記第1複合磁性層(10e)に含まれる金属強磁性体と,前記第2複合磁性層(10g)に含まれる金属強磁性体とは,Coを主成分とする金属強磁性合金から形成されていることが望ましい。Coはスピン分極率が高く,酸化されにくく,且つ,熱的に安定で拡散しにくい。 In order to magnetically soften the free ferromagnetic layer (10), the free ferromagnetic layer (10) is further bonded to the second composite magnetic layer (10g), contains Ni, and It is preferable to include a second ferromagnetic layer (10h) that is magnetically softer than the first composite magnetic layer (10e), the second composite magnetic layer (10g), and the first ferromagnetic layer (10d). Ni contained in the second ferromagnetic layer (10h) makes the free ferromagnetic layer (10) magnetically softer. The problem of Ni diffusing into the tunnel insulating layer (9) can be avoided because the first composite magnetic layer (10e) and the second composite magnetic layer (10g) prevent Ni diffusion. Furthermore, the problem that Ni diffuses into the second conductor (3, 22) electrically connected to the free ferromagnetic layer (10) is that the free ferromagnetic layer (10) and the second conductor (3, 22) This can be avoided by providing a second oxide layer (14) made of an oxide between them. The first ferromagnetic layer (10d), the metal ferromagnet included in the first composite magnetic layer (10e), and the metal ferromagnet included in the second composite magnetic layer (10g) are mainly composed of Co. It is desirable to form from a metal ferromagnetic alloy as a component. Co has a high spin polarizability, is not easily oxidized, and is thermally stable and difficult to diffuse.
自由強磁性層(10)が第1複合磁性層(10e)と非磁性層(10f)と第2複合磁性層(10g)とを含む場合,自由強磁性層(10)は,更に,第1複合磁性層(10e)と非磁性層(10f)との間に介設された第3強磁性層(10i)と,第2複合磁性層(10g)と非磁性層(10f)との間に介設された第4強磁性層(10i)とを含み,第3強磁性層(10i)と第4強磁性層(10i)とは,Coを主成分とする金属強磁性層で形成されることが好適である。 When the free ferromagnetic layer (10) includes the first composite magnetic layer (10e), the nonmagnetic layer (10f), and the second composite magnetic layer (10g), the free ferromagnetic layer (10) further includes the first Between the third ferromagnetic layer (10i) interposed between the composite magnetic layer (10e) and the nonmagnetic layer (10f), and between the second composite magnetic layer (10g) and the nonmagnetic layer (10f). And the third ferromagnetic layer (10i) and the fourth ferromagnetic layer (10i) are formed of a metal ferromagnetic layer containing Co as a main component. Is preferred.
当該磁気抵抗デバイスが,更に,前記自由強磁性層(10)にバイアス磁場を印加する磁気バイアス素子(20)を備え,磁気バイアス素子(20)が磁気バイアス用強磁性層(17)と,磁気バイアス用強磁性層(17)に接合され,Mnを含む磁気バイアス用反強磁性層(18)とを含む場合,酸化物層(13,14,21)は,磁気バイアス素子(20)と自由強磁性層(10)との間に介設される第1酸化物層(14)と,磁気バイアス素子(20)と第2導体(3,22)との間に介設された第2酸化物層(21)とを含むことが好適である。 The magnetoresistive device further includes a magnetic bias element (20) for applying a bias magnetic field to the free ferromagnetic layer (10). The magnetic bias element (20) includes a magnetic bias ferromagnetic layer (17) and a magnetic field. When the magnetic biasing anti-ferromagnetic layer (18) containing Mn is bonded to the biasing ferromagnetic layer (17), the oxide layers (13, 14, 21) are free from the magnetic bias element (20). A first oxide layer (14) interposed between the ferromagnetic layer (10) and a second oxide interposed between the magnetic bias element (20) and the second conductors (3, 22). It is preferable that a physical layer (21) is included.
導体(2,3,11,22)が,トンネル絶縁層(9)を介さずに自由強磁性層(10)に電気的に接続される第2導体(3)を有する場合,拡散防止構造体(13,14,21)は,自由強磁性層(10)との間に介設される第2拡散防止層(14)を含むことが好適である。 When the conductor (2, 3, 11, 22) has the second conductor (3) electrically connected to the free ferromagnetic layer (10) without passing through the tunnel insulating layer (9), the diffusion prevention structure (13, 14, 21) preferably includes a second diffusion preventing layer (14) interposed between the free ferromagnetic layer (10).
第2拡散防止層(14)は,自由強磁性層(10)に直接に接合され,且つ,自由強磁性層(10)の膜厚は,3nm以下であることが好適であり,特に,自由強磁性層(10)の飽和磁化と膜厚との積が,3(T・nm)以下であることが好適である。 The second diffusion prevention layer (14) is directly joined to the free ferromagnetic layer (10), and the thickness of the free ferromagnetic layer (10) is preferably 3 nm or less, and in particular free The product of the saturation magnetization and the film thickness of the ferromagnetic layer (10) is preferably 3 (T · nm) or less.
自由強磁性層(10)は,Niを含むNi含有強磁性膜を含み,第2拡散防止層(14)は,Ni含有強磁性膜に直接に接することが好適である。 The free ferromagnetic layer (10) preferably includes a Ni-containing ferromagnetic film containing Ni, and the second diffusion prevention layer (14) is preferably in direct contact with the Ni-containing ferromagnetic film.
自由強磁性層(10)は,トンネル絶縁層(9)に直接に接合する強磁性層(31)と,強磁性層(31)に接合され,且つ,非磁性元素と強磁性層(31)を構成する強磁性材料とを含有する磁化制御構造体(32,34,35)とを含むことが好適である。 The free ferromagnetic layer (10) includes a ferromagnetic layer (31) directly bonded to the tunnel insulating layer (9), a non-magnetic element and a ferromagnetic layer (31) bonded to the ferromagnetic layer (31). And a magnetization control structure (32, 34, 35) containing a ferromagnetic material constituting the material.
磁化制御構造体(32,34,35)は,非磁性体であることが好適である。 The magnetization control structure (32, 34, 35) is preferably a non-magnetic material.
磁化制御構造体(34)は,強磁性層(31)を構成する強磁性材料の酸化物又は窒化物で形成されていることが好適である。 The magnetization control structure (34) is preferably formed of an oxide or nitride of a ferromagnetic material constituting the ferromagnetic layer (31).
非磁性材料は,Ru,Pt,Hf,Pd,Al,W,Ti,Cr,Si,Zr,Cu,Zn,Nb,V,Cr,Mg,Ta,Moのうちから選択された少なくとも一の元素で構成されていることが好適である。また,非磁性材料は,強磁性材料の結晶の粒界に偏析していることが好適である。 The nonmagnetic material is at least one element selected from Ru, Pt, Hf, Pd, Al, W, Ti, Cr, Si, Zr, Cu, Zn, Nb, V, Cr, Mg, Ta, and Mo. It is preferable that it is comprised. The nonmagnetic material is preferably segregated at the crystal grain boundaries of the ferromagnetic material.
自由強磁性層(10)は,その応力誘起磁気異方性,及び形状磁気異方性の磁化容易軸の方向が一致するように形成されることが好適である。 The free ferromagnetic layer (10) is preferably formed so that the directions of the easy axis of the stress-induced magnetic anisotropy and the shape magnetic anisotropy coincide.
具体的には,自由強磁性層(10)は,第1方向に長い形状を有し,自由強磁性層(10)の磁歪定数は正であり,自由強磁性層(10)には,前記第1方向と垂直な第2方向に圧縮応力が印加されていることが好適である。又は,自由強磁性層(10)には,前記第1方向に引っ張り応力が印加されることが好適である。 Specifically, the free ferromagnetic layer (10) has a shape that is long in the first direction, and the magnetostriction constant of the free ferromagnetic layer (10) is positive. It is preferable that a compressive stress is applied in a second direction perpendicular to the first direction. Alternatively, it is preferable that a tensile stress is applied to the free ferromagnetic layer (10) in the first direction.
また,自由強磁性層(10)の磁歪定数が負である場合には,自由強磁性層(10)には,前記第1方向に圧縮応力が印加され,又は,前記第1方向と垂直な第2方向に引っ張り応力が印加されることが好適である。 When the magnetostriction constant of the free ferromagnetic layer (10) is negative, a compressive stress is applied to the free ferromagnetic layer (10) in the first direction or is perpendicular to the first direction. It is preferable that a tensile stress is applied in the second direction.
応力の制御は,自由強磁性層(10)の長軸の方向と下部配線(3)のとの間の相対方向によって制御可能である。具体的には,自由強磁性層(10)の磁歪定数が正であり,且つ,自由強磁性層(10)は,第1方向に長い形状を有する場合,下部配線(3)は,第1方向に延設される。 The stress can be controlled by the relative direction between the direction of the long axis of the free ferromagnetic layer (10) and the lower wiring (3). Specifically, when the magnetostriction constant of the free ferromagnetic layer (10) is positive and the free ferromagnetic layer (10) has a long shape in the first direction, the lower wiring (3) It extends in the direction.
自由強磁性層(10)の磁歪定数が負であり,自由強磁性層(10)と前記トンネル絶縁層(9)とが接合する接合面は,前記第2方向と垂直な第1方向に長い形状を有する場合,下部配線(3)が第2方向に延設される。 The magnetostriction constant of the free ferromagnetic layer (10) is negative, and the junction surface where the free ferromagnetic layer (10) and the tunnel insulating layer (9) are joined is long in the first direction perpendicular to the second direction. When it has a shape, the lower wiring (3) extends in the second direction.
自由強磁性層(10)の応力誘起磁気異方性は,自由強磁性層(10)の形状磁気異方性よりも強いことが好適である。かかる自由強磁性層(10)の特性は,とりわけ,自由強磁性層(10)が,長軸と前記長軸に垂直な短軸とを有し,前記短軸に対する長軸の比として定義されるアスペクト比が,1.0以上,2.0以下である場合に好適である。 The stress-induced magnetic anisotropy of the free ferromagnetic layer (10) is preferably stronger than the shape magnetic anisotropy of the free ferromagnetic layer (10). The characteristics of the free ferromagnetic layer (10) are defined as the ratio of the major axis to the minor axis, in particular, the free ferromagnetic layer (10) has a major axis and a minor axis perpendicular to the major axis. This is suitable when the aspect ratio is 1.0 or more and 2.0 or less.
本発明により,磁気抵抗素子の熱的安定性を,一層に向上する技術が提供される。
また,本発明により,磁気抵抗素子を他の素子に電気的に接続する導体(例えば,ビア及び配線)と,磁気抵抗素子を構成する層との間の相互拡散を防止することにより,磁気抵抗素子の熱的安定性を,一層に向上する技術が提供される。
また,本発明により,磁気抵抗素子を構成する層に含まれる材料,特にNi,Mnが,磁気抵抗素子を他の素子に電気的に接続する導体に拡散することにより,該導体の抵抗率が増大する現象を防止する技術が提供される。
また,本発明により,磁気抵抗素子を他の素子に電気的に接続する導体に含まれる材料が,磁気抵抗素子に拡散することにより,磁気抵抗素子の特性が劣化する現象を防止する技術が提供される。
また,本発明により,磁気抵抗素子の固定強磁性層及び自由強磁性層内の磁気的結合及び電気的結合を保ちつつ,磁気抵抗素子に含まれるMnやNiが磁気抵抗素子のトンネル絶縁層に拡散することによって磁気抵抗素子の特性が劣化する現象を防止する技術が提供される。
また,本発明により,自由強磁性層を薄膜化し,もって反転磁界を低減することを可能にする技術が提供される。
また,本発明により,自由強磁性層を構成する材料の拡散を防止し,自由強磁性層の薄膜化と反転磁界の低減とを可能にする技術が提供される。
また,本発明により,自由強磁性層の磁気抵抗曲線の角型性を保ち反転磁界のバラツキを抑制しながら,反転磁界を低減させ,更に,磁気抵抗素子のアスペクト比及びサイズを小さくするための技術が提供される。
The present invention provides a technique for further improving the thermal stability of the magnetoresistive element.
Further, according to the present invention, it is possible to prevent mutual diffusion between a conductor (for example, via and wiring) electrically connecting the magnetoresistive element to another element and a layer constituting the magnetoresistive element. A technique for further improving the thermal stability of the element is provided.
Further, according to the present invention, the material contained in the layer constituting the magnetoresistive element, particularly Ni, Mn, diffuses into the conductor that electrically connects the magnetoresistive element to other elements, so that the resistivity of the conductor is reduced. Techniques for preventing increasing phenomena are provided.
In addition, the present invention provides a technique for preventing a phenomenon in which the characteristics of a magnetoresistive element deteriorate due to diffusion of a material contained in a conductor electrically connecting the magnetoresistive element to another element into the magnetoresistive element. Is done.
Further, according to the present invention, Mn and Ni contained in the magnetoresistive element are added to the tunnel insulating layer of the magnetoresistive element while maintaining the magnetic coupling and electrical coupling in the fixed ferromagnetic layer and the free ferromagnetic layer of the magnetoresistive element. A technique for preventing a phenomenon in which the characteristics of the magnetoresistive element deteriorate due to diffusion is provided.
In addition, the present invention provides a technique that makes it possible to reduce the reversal magnetic field by thinning the free ferromagnetic layer.
In addition, according to the present invention, there is provided a technique capable of preventing the material constituting the free ferromagnetic layer from diffusing and making the free ferromagnetic layer thin and reducing the switching magnetic field.
Further, according to the present invention, the reversal magnetic field is reduced while maintaining the squareness of the magnetoresistance curve of the free ferromagnetic layer and suppressing the variation of the reversal magnetic field, and further, the aspect ratio and size of the magnetoresistive element are reduced. Technology is provided.
本発明による磁気抵抗素子の実施の一形態は,図1に示されているように,クロスポイントセル型のMRAMである。実施の第1形態では,基板1の上面側に,下部配線2と上部配線3とが形成されている。下部配線2と上部配線3とは,Al90Cu10で形成されている。
One embodiment of the magnetoresistive element according to the present invention is a cross-point cell type MRAM as shown in FIG. In the first embodiment, the
下部配線2と上部配線3との間には,MRAMのメモリセルとして機能する磁気抵抗素子4が設けられている。磁気抵抗素子4は,シード層5,バッファ層6,反強磁性層7,固定強磁性層8,トンネル絶縁層9,及び自由強磁性層10を含む。磁気抵抗素子4の固定強磁性層8,トンネル絶縁層9,及び自由強磁性層10は,磁気トンネル接合を構成する。
A
固定強磁性層8は,スピン分極率の高い金属強磁性合金,典型的には,CoFeで形成される。CoFe合金は,磁気的に比較的ハードな(即ち,保磁力が大きい)強磁性体である。後述されるように,固定強磁性層8の自発磁化は,反強磁性層7からの交換相互作用によって固定される。
The fixed
自由強磁性層10は,磁気的に比較的ソフトな(即ち,保磁力が小さい)強磁性体で形成される。自由強磁性層10は,その自発磁化が反転可能であり,且つ,該自発磁化の向きが,固定強磁性層8の自発磁化と平行(parallel),又は反平行(antiparallel)のいずれかを向くように形成されている。自由強磁性層10の自発磁化は反転可能であり,磁気抵抗素子4は,1ビットのデータを自由強磁性層10の自発磁化の向きとして記憶する。
The free
自発磁化が反転される自由強磁性層10は,Niを含む強磁性体,典型的にはNiFeで形成される。一般に,Niを含む強磁性体は,比較的磁気的にソフトであり,自発磁化が反転される自由強磁性層10の形成に好適である。自由強磁性層10は,トンネル絶縁層9の上に形成されるCoFe層と,該CoFe層の上に形成されるNiFe層とで構成されることがある。スピン分極率が高いCoFe層により磁気トンネル接合のMR比が向上される一方,NiFe層は,CoFe層を磁気的にソフト化し,保磁力を低下させる。CoFe層とNiFe層とで形成される積層構造は,自発磁化の反転が容易で,且つ,MR比が高い磁気トンネル接合を実現する。
The free
トンネル絶縁層9は,トンネル電流が流れる程度に薄い非磁性の絶縁体で形成される。トンネル絶縁層9は,典型的には,AlOx,AlNx,MgOxで形成され,その厚さは,磁気抵抗素子4に求められる抵抗に応じて設定され,典型的には1.2〜2nmである。トンネル磁気抵抗効果(TMR効果)により,トンネル絶縁層9の厚さ方向の抵抗値は,固定強磁性層8の自発磁化と自由強磁性層10の自発磁化とが,平行であるか,反平行によって異なる。トンネル絶縁層9の厚さ方向の抵抗値によって磁気抵抗素子4に記憶されているデータの判別が可能である。
The
シード層5及びバッファ層6は,その上に設けられる反強磁性層7の配向を制御し,反強磁性層7の反強磁性相を安定化するために設けられる。シード層5は,典型的にはTa,Crで形成され,シード層5の上に設けられるバッファ層6は,典型的には,NiFe,CoFeで形成される。
The
反強磁性層7は,Mnを含む反強磁性体,典型的には,PtMn及びIrMnで形成される。反強磁性層7は,その直上に接合される固定強磁性層8に交換相互作用を及ぼし,固定強磁性層8の自発磁化を固定する。
The
磁気抵抗素子4と下部配線2との間には,ビア11,下部コンタクト層12,及び酸化物層13が設けられる。ビア11,下部コンタクト層12,及び酸化物層13を介して,磁気抵抗素子4の固定強磁性層8は,下部配線2に電気的に接続される。ビア11は,下部配線2に接合され,基板1の主面に垂直な方向に延設されている。ビア11は,典型的には,タングステン,銅,モリブデンで形成される。
A via 11, a
下部コンタクト層12は,ビア11の上に設けられている。下部コンタクト層12は,ビア11に対する良好な付着層として機能し,且つ,その上部の酸化物層13の膜質を向上させる。更に下部コンタクト層12は,ビア11と酸化物層13との間の良好な電気的接触を保つ。下部コンタクト層層12は,典型的には,TiN,Ta,Ru,W,Zr,及びMoで形成される。
The
酸化物層13は,下部配線2,ビア11及び下部コンタクト層12と,磁気抵抗素子4との間の相互拡散を効果的に防止する。即ち,酸化物層13は,下部配線2を構成するアルミニウム及び銅,ビア11を構成するタングステン,銅,及びモリブデン,並びに,下部コンタクト層12を構成するTiN,Ta,Ru,W,Zr,及びMoが,磁気抵抗素子4に拡散することを有効に防止する。更に,酸化物層13は,バッファ層6を構成するNi,及び反強磁性層7を構成するMnが,下部配線2に拡散することを有効に防止する。酸化物で形成された酸化物層13は,その構造を緻密にすることが容易であり,相互拡散を有効に防止可能である。
The
酸化物層13が,下部配線2,ビア11及び下部コンタクト層12から磁気抵抗素子4への拡散と,磁気抵抗素子4から下部配線2,ビア11及び下部コンタクト層12への拡散との両方を防止する機能を有することは重要である。下部配線2,ビア11及び下部コンタクト層12から磁気抵抗素子4への拡散と磁気抵抗素子4から下部配線2,ビア11及び下部コンタクト層12への拡散とのうちの一方の発生は,他方の発生の原因となる。従って,酸化物層13が,これらの2つの拡散形態の両方を防止することは,磁気抵抗素子4の特性の向上の観点から極めて好適である。
The
酸化物層13は,Al,Mg,Si,Hf,Li,Ca,及びTiの酸化物で形成されることが好適である。これらの元素の酸化物で形成された酸化物層13は,その構造が非常に緻密であり,酸素との結合力が高いため熱的安定性が高く,相互拡散の抑制効果が大きい。
The
特にMnの拡散を防止するために,酸化物で形成された膜を使用することは,Mnの拡散を有効に抑制する点で好適である。Mnは,酸素に対して結合しやすい。このため,酸化物で形成されている酸化物層13にMnが拡散すると,拡散されたMnは,酸素と結合して安定化され,酸化物層13に固定される。Mnが酸化物層13に固定されることにより,Mnの下部配線2への拡散が効果的に防止される。
In particular, in order to prevent Mn diffusion, it is preferable to use a film formed of an oxide from the viewpoint of effectively suppressing Mn diffusion. Mn is easily bonded to oxygen. For this reason, when Mn diffuses in the
酸化物層13は,その下面(基板1の側の面)及び上面に接する層(即ち,下部コンタクト層12及びシード層5)を構成する材料よりも,酸素と結合する力が大きい材料の酸化物を用いることが好適である。そうでない材料の酸化物を酸化物層13に使用することは,酸化物層13の下面及び上面に接する層に酸素を拡散させて酸化物層13を不安定化し,酸化物層13の拡散防止効果を失わせるため好適でない。下部コンタクト層12にTa,シード層5にTa,又はCrを使用する場合には,それらより酸化物生成自由エネルギーが低いAl,Mg,Si,Hf,Li,Ca,及びTiの酸化物を酸化物層13として使用することが好適である。
The
トンネル絶縁層9の抵抗の検出におけるSN比を向上するためには,酸化物層13の厚さ方向の抵抗は,なるべく小さいことが好適である。酸化物層13は,磁気トンネル接合に,電気的に直列に接続されるため,酸化物層13の厚さ方向の抵抗は,トンネル絶縁層9の抵抗の検出におけるSN比を劣化させる。したがって,酸化物層13の厚さ方向の抵抗は,小さいことが好適であり,より具体的には,トンネル絶縁層9の厚さ方向の抵抗より小さいことが好適である。
In order to improve the SN ratio in detecting the resistance of the
拡散防止層として機能する酸化物層13は,その比抵抗が小さい場合(即ち,酸化物層13の膜厚を厚くできる場合)においても薄い方が好適である。酸化物層13を厚く成長させると,酸化物層13の格子歪みが増大し,ゆえに,自由強磁性層10に不所望に応力を与える。自由強磁性層10に加えられた応力は,自由強磁性層10の磁気異方性を変化させ,自由強磁性層10の特性の好適な制御を困難にするため好ましくない。具体的には,酸化物層13の厚さは,5nm以下であることが好適である。
The
加えて,酸化物層13の厚さが1nm以下であることは,酸化物層13の厚さ方向の抵抗を実質的になくすことができる点で好適である。酸化物層13の厚さを1nm以下にすることにより,酸化物層13の抵抗は,トンネル現象によって極度に小さくなる。
In addition, it is preferable that the thickness of the
トンネル絶縁層9と酸化物層13とを同一の材料で形成することは,トンネル絶縁層9と酸化物層13とを共通の装置及び材料で形成でき,MRAMの製造に要するコストを低減できる点で好適である。例えば,トンネル絶縁層9と酸化物層13とをスパッタによって形成する場合,トンネル絶縁層9と酸化物層13とを同一の材料で形成することにより,トンネル絶縁層9と酸化物層13とを同一のスパッタターゲットを使用して形成することが可能になる。
The formation of the
トンネル絶縁層9と酸化物層13とが同一の材料で形成される場合,トンネル絶縁層9の抵抗の検出におけるSN比を向上するためには,酸化物層13の膜厚は,トンネル絶縁層9の膜厚よりも薄いことが好適である。これにより,酸化物層13の厚さ方向の抵抗がトンネル絶縁層9の厚さ方向の抵抗より小さくなり,トンネル絶縁層9の抵抗の検出におけるSN比を向上することができる。
When the
上部配線3と磁気抵抗素子4との間には,酸化物層14と上部コンタクト層15とが設けられている。酸化物層14は,磁気抵抗素子4の自由強磁性層10の上に形成されている。上部コンタクト層15は,酸化物層14の上に形成され,上部配線3と接合される。磁気抵抗素子4の自由強磁性層10は,酸化物層14と上部コンタクト層15とを介して上部配線3に電気的に接続されている。
An
上部コンタクト層15は,上部コンタクト層15よりも下部の層を素子加工プロセスによるダメージから保護し,且つ,酸化物層14と上部配線3との間の良好な電気的接触を保つ。上部コンタクト層15は,典型的には,TiN,Ta,Ru,W,Zr,及びMoで形成される。
The
酸化物層14は,上部配線3と磁気抵抗素子4との間の相互拡散を効果的に防止する。即ち,酸化物層14は,上部配線3を構成するアルミニウム及び銅の磁気抵抗素子4への拡散を防止し,自由強磁性層10に含まれるNiの上部配線3への拡散を防止する。Niの上部配線3への拡散を抑制することにより,上部配線3の抵抗の上昇が防止される。酸化物で形成された酸化物層14は,その構造を緻密にすることが容易であり,相互拡散を有効に防止可能である。酸化物層13と同様の理由により,酸化物で形成された酸化物層14は,Niの拡散を有効に抑制する点で好適である。
The
自由強磁性層10に直接に接続される酸化物層14が,自由強磁性層10から上部配線3へのNiの拡散を防止することは,自由強磁性層10の膜厚tを薄くし,もって自由強磁性層10のMs×tの減少を可能にする点でも重要である。Niの自由強磁性層10からの流出は,特に自由強磁性層10の膜厚tが薄い場合に自由強磁性層10の組成を大きく変動させ,自由強磁性層10の特性を不安定にする。酸化物層14の挿入は,Niが自由強磁性層10から流出することを防ぎ,自由強磁性層10の組成を所望値に調整可能にする。これは,自由強磁性層10の膜厚tが薄い場合に特に有効である。
The fact that the
酸化物層13と同様に,酸化物層14が上部配線3から自由強磁性層10への拡散と自由強磁性層10から上部配線3への拡散の両方を防止する機能を有することは重要である。酸化物層13が,これらの拡散の両方を防止することは,磁気抵抗素子4の特性の向上の観点から極めて好適である。
Like the
酸化物層14に求められる物性は,酸化物層13と同様であり,酸化物層13に好適な材料及び構造は,酸化物層14にも好適である。第1に,酸化物層14の構造を緻密化して,且つ,高温まで熱的安定性を保ち,相互拡散の抑制効果を増大するためには,酸化物層14は,Al,Mg,Si,Hf,Li,Ca,及びTiの酸化物で形成することが好適である。更に,トンネル絶縁層9の抵抗の検出のSN比を向上するためには,酸化物層14の厚さ方向の抵抗は,トンネル絶縁層9の厚さ方向の抵抗より小さいことが好適である。更に,酸化物層14の厚さが薄いこと,特に,5nm以下であることは,応力による自由強磁性層10への影響を抑制する点で好適である。更に,トンネル絶縁層9と酸化物層14とを同一の材料で形成することは,トンネル絶縁層9と酸化物層14とを共通の装置及び材料で形成でき,MRAMの製造に要するコストを低減できる点で好適である。
The physical properties required for the
自由強磁性層10がNiを含む強磁性体層(典型的には,NiFe層)で形成されているとき,又は,Niを含む強磁性体層と他の強磁性体層との積層構造を有する場合(典型的には,CoFe層とNiFe層との積層構造を有する場合)には,酸化物層14は,Niを含む該強磁性体層の上に直接に接して形成されることが好適である。Niを含む強磁性体層は,Niの組成が最適組成からずれると,その特性が劣化しやすい。例えば,飽和磁化の大きさは,Niの組成によって大きな影響を受ける。酸化物層14がNiを含む該強磁性体層の上に直接に接していることは,該強磁性体層の上方へのNiの拡散経路を無くし,Niを含む強磁性体層の組成ずれを効果的に防止する。Niを含む強磁性層は,下部面に接する層(即ち,トンネル絶縁層9又は,上述の他の強磁性体層)に比べて上部面に接する層(即ち,上部コンタクト層15及び上部配線3)との拡散が大きいことが発明者等の実験により分かっており,Niを含む強磁性層の上部面に酸化物層14を直接に形成することは,特に,拡散防止に対して効果的である。
When the free
以上に説明されているように,本実施の形態では,下部配線2と磁気抵抗素子4との間に酸化物層13が設けられ,下部配線2と磁気抵抗素子4との間の相互拡散が効果的に防止されている。更に,上部配線3と磁気抵抗素子4との間に酸化物層14が設けられ,上部配線3と磁気抵抗素子4との間の相互拡散が効果的に防止されている。下部配線2と上部配線3としてCuが使用される場合にも,酸化物層13,14の使用は,相互拡散の防止に有効である。
As described above, in the present embodiment, the
更に,本実施の形態では,自由強磁性層10の上に酸化物層14が形成されているため,自由強磁性層10を構成する材料,特に,Niの拡散が有効に防止される。これは,自由強磁性層10の膜厚tが薄い場合でも自由強磁性層10の磁化Msと膜厚tとの積Ms×tを小さい値に安定化させることを可能にする。既述のように,積Ms×tを小さくすることは,自由強磁性層10の反転磁界の減少及び安定化に重要である。本実施の形態の構造は,特に,自由強磁性層10の膜厚tを3nm以下にする場合,及び積Ms×tを3(T・nm)以下にする場合に有効である。
Furthermore, in this embodiment, since the
本実施の形態において,酸化物層13及び酸化物層14の代わりに,窒化物で形成された窒化物層が使用され得る。窒化物層,又は,酸窒化物層は,その構造を緻密にすることが容易であり,相互拡散を有効に防止可能である。酸化物層13及び酸化物層14と同様に,窒化物層は,その膜厚が5nm以下であることが好適である。窒化物層が厚いことは応力によって誘起される磁気異方性に起因する磁気特性の劣化の原因になり得るため望ましくない。
In the present embodiment, a nitride layer formed of nitride may be used instead of the
上記の窒化物層を,導体である窒化物で形成することは,窒化物層の厚さ方向の抵抗を小さくし,もってトンネル絶縁層9の抵抗の検出におけるSN比を向上するため好適である。窒化物層の厚さ方向の抵抗は,小さいことが好適であり,より具体的には,トンネル絶縁層9の厚さ方向の抵抗より小さいことが好適である。
It is preferable to form the nitride layer with a nitride which is a conductor because the resistance in the thickness direction of the nitride layer is reduced and the SN ratio in the detection of the resistance of the
窒化物層は,その下面(基板1の側の面)及び上面に接する層を構成する材料よりも,窒化物生成自由エネルギーが低い材料の窒化物を用いることが好適である。そうでない窒化物材料を該窒化物層に使用することは,窒化物層の下面及び上面に接する層に窒素を拡散させて窒化物層を不安定化し,窒化物層の拡散防止効果を失わせるため好適でない。窒化物層を構成する窒化物としては,AlN,SiN,BN,ZrNが好適に使用され得る。
As the nitride layer, it is preferable to use a nitride of a material having a lower free energy for nitride formation than the material constituting the lower surface (the surface on the
また,本実施の形態において,酸化物層13及び酸化物層14の代わりに,酸窒化物で形成された酸窒化物層が使用され得る。酸窒化物層は,その構造を緻密にすることが容易であり,相互拡散を有効に防止可能である。窒化物層と同様に,酸窒化物層は,その膜厚が5nm以下であることが好適である。酸窒化物層が厚いことは,応力によって誘起される磁気異方性に起因する磁気特性の劣化の原因になり得るため望ましくない。
In this embodiment, an oxynitride layer formed of oxynitride may be used instead of the
酸窒化物層は,その下面(基板1の側の面)及び上面に接する層を構成する材料よりも,酸化物生成自由エネルギー及び窒化物生成自由エネルギーが低い材料の酸窒化物を用いることが好適である。そうでない酸窒化物材料を該酸窒化物層に使用することは,酸窒化物層の下面及び上面に接する層に酸素及び/又は窒素を拡散させて酸窒化物層を不安定化し,酸窒化物層の拡散防止効果を失わせるため好適でない。酸窒化物層を構成する窒化物としては,AlN,SiN,TiN,BN,TaN,ZrNが好適に使用され得る。
As the oxynitride layer, an oxynitride of a material having lower oxide formation free energy and lower nitride formation free energy than the material constituting the lower surface (the surface on the
上述のように,自由強磁性層10の上への酸化物層14(又は窒化物膜若しくは酸窒化物膜)の形成は,自由強磁性層10の膜厚tの薄膜化を可能にし,もって,自由強磁性層10の磁化Msと膜厚tとの積Ms×tの低減を可能にする。しかし,自由強磁性層10の磁化Msと膜厚tとの積Ms×tを安定的に低減させるためには,自由強磁性層10の膜厚tの単純な薄膜化では限界がある。なぜなら,薄膜の形成過程から理解されるように,自由強磁性層10の膜厚tを極めて薄くしようとすると,自由強磁性層10は,島状にしか形成されず,不連続になってしまう。
As described above, the formation of the oxide layer 14 (or nitride film or oxynitride film) on the free
かかる問題は,充分に厚い自由強磁性層10の一部分を変質させ,これにより当該部分の磁化を減少させる,又は消失させることによって解消可能である。この方法は,自由強磁性層10を連続的な構造に形成しながら,自由強磁性層10の実効的な膜厚及び磁化を減少させ,もって積Ms×tを減少することを可能にする。自由強磁性層10のトンネル絶縁層9に接する部分の強磁性は影響を受けないため,MR比は低減しない。自由強磁性層10は,変質された部分が非磁性体になるように変質されることが好適である。自由強磁性層10の変質された部分が非磁性体になることにより,自由強磁性層10の実効的な膜厚tが減少し,一層有効に積Ms×tを減少させることが可能になる。
Such a problem can be solved by altering a part of the sufficiently thick free
具体的には,積Ms×tが小さく,且つ,連続的な構造を有する自由強磁性層10の形成は,下記の方法により実現可能である:第1の方法では,図27に示されているように,自由強磁性層10が,強磁性体で形成された強磁性層31と,非磁性金属で形成された拡散層32とで構成される。強磁性層31はトンネル絶縁層9の上に形成され,拡散層32は強磁性層31の上に形成され,そして酸化物層14は拡散層32の上に形成される。強磁性層31は,典型的には,NiFeで形成される。非磁性金属膜は,典型的には,Ru,Pt,Hf,Pd,Al,W,Ti,Cr,Si,Zr,Cu,Zn,V,Cr,及びMoで形成され得る。熱処理が行われると,強磁性層31と拡散層32との間で拡散が発生し,強磁性層31の一部分が変質して磁化Msが低下する。これにより,積Ms×tが小さく,且つ,連続的な構造を有する自由強磁性層10が得られる。このような構造の自由強磁性層10は,拡散層32の膜厚によって,自由強磁性層10の磁化の低下の程度を容易に調整することができる。一方,酸化物層14が形成されているために上部コンタクト層15によって自由強磁性層10を構成する材料が奪われることがないため,自由強磁性層10の積Ms×tを安定化することができる。
Specifically, the formation of the free
拡散層32は,連続した「層」をなすことは必ずしも必要でない。拡散層32は,膜厚が極めて薄く,拡散層32が島状の構造体になるように形成されることも可能である。 The diffusion layer 32 is not necessarily required to form a continuous “layer”. The diffusion layer 32 can be formed so that the film thickness is extremely thin and the diffusion layer 32 becomes an island-shaped structure.
拡散層32は,トンネル絶縁層9に直接に接触しない限り,自由強磁性層10の内部,又は自由強磁性層10に接する任意の位置に設けられてもよい。例えば,図28に示されているように,自由強磁性層10が,強磁性層31,33と,これらの間に介設された拡散層32とで構成されることが可能である。拡散層32が,トンネル絶縁層9に直接に接触することは,MR比を低減させるため好適でない。熱処理により,拡散層32と,強磁性層31,33との間で相互拡散が発生し,積Ms×tが小さく,且つ,連続的な構造を有する自由強磁性層10が得られる。この場合も,拡散層32は,連続した「層」をなすことは必ずしも必要でないことに留意されたい。
The diffusion layer 32 may be provided inside the free
第2の方法では,図29に示されているように,トンネル絶縁層9の上に強磁性層31が形成された後,その上面の一部が,窒化又は酸化され,変質層34が形成される。強磁性層31の残部と変質層34とにより自由強磁性層10が構成される。強磁性層31の一部の窒化及び酸化は,強磁性層31の上面を,それぞれ窒素プラズマ及び酸素プラズマに曝すことによって達成され得る。強磁性層31の一部が窒化及び酸化されることにより,窒化又は酸化された部分の磁化が失われ,又は低減され,積Ms×tが小さく,且つ,連続的な構造を有する自由強磁性層10の形成が可能である。強磁性層31の一部が窒化又は酸化される代わりに,ホウ化,塩化,又は炭化されることも可能である。
In the second method, as shown in FIG. 29, after the ferromagnetic layer 31 is formed on the
変質層34が酸化物で形成される場合には,下記の方法により,変質層34の形成と,酸化物層14の形成とを同時的に行うことも可能である。トンネル絶縁層9の上に強磁性層31が形成された後,その上に酸化物層14を形成するための金属膜が形成される。その金属膜の上面が酸素プラズマに曝される。金属膜が完全に酸化されて酸化物層14が形成された後も酸素プラズマへの曝露は継続され,これにより,強磁性層31の一部分が酸化される。酸素プラズマに曝露される時間を制御することにより,強磁性層31の酸化される部分の膜厚を制御することが可能である。これは,自由強磁性層10の実効的な膜厚を制御することと等価である。
When the altered layer 34 is formed of an oxide, the altered layer 34 and the
変質層34が窒化物で形成される場合には,下記の方法により,強磁性層31の一部分の窒化による変質層34の形成と,酸化物層14の形成とを同時的に行うことも可能である。トンネル絶縁層9の上に強磁性層31が形成された後,その上に酸化物層14を形成するための金属膜が形成される。その金属膜の上面が窒素プラズマに曝される。金属膜が完全に窒化された後も窒素プラズマへの曝露は継続され,これにより,強磁性層31の一部分が窒化される。その後,窒化された金属膜が酸化され,酸化物層14が形成される。酸素に対する結合力の差から,自由強磁性層10の窒化された部分は,酸化されない。
When the altered layer 34 is formed of nitride, the altered layer 34 by nitriding a part of the ferromagnetic layer 31 and the
積Ms×tが小さく,且つ,連続的な構造を有する自由強磁性層10は,図30に示されている構造でも得られる:トンネル絶縁層9の上に強磁性体で強磁性層31が形成される。その強磁性層31の上に,強磁性層31と同じ強磁性体で形成され,且つ,非磁性金属がドープされたドープ強磁性層35が形成される。形成された強磁性層31とドープ強磁性層35とが自由強磁性層10として機能する。ドープ強磁性層35では,非磁性金属は,強磁性体の結晶り偏析
非磁性金属がドープ強磁性層35にドープされることにより,ドープ強磁性層35の磁化が低減され,積Ms×tが小さく,且つ,連続的な構造を有する自由強磁性層10の形成が可能である。
The free
以下に詳細に述べられるように,酸化物層14(又は窒化膜,若しくは酸窒化膜)の挿入によって上部配線3と自由強磁性層10との間の相互拡散を防止して自由強磁性層10の組成を所望値に制御する技術は,自由強磁性層10の応力誘起磁気異方性(stress-induced magnetic anisotropy)の制御に有用である。自由強磁性層10の応力誘起磁気異方性による異方性磁界Hsの大きさは,下記式(3):
Hs=3(λ・σ)/Ms, …(3)
で表される。ここで,λは,自由強磁性層10の磁歪定数であり,σは,自由強磁性層10に印加される応力である。磁歪定数λは,自由強磁性層10の組成に依存する。一方で,酸化物層14は,異なる磁気抵抗素子4の自由強磁性層10の組成のばらつき,及び,一の自由強磁性層10の内部での組成のばらつきを有効に減少させる。これは,酸化物層14の挿入により,自由強磁性層10の磁歪定数の制御が可能になり,従って応力誘起磁気異方性の制御が可能になることを意味する。
As will be described in detail below, insertion of an oxide layer 14 (or nitride film or oxynitride film) prevents interdiffusion between the
H s = 3 (λ · σ) / M s , (3)
It is represented by Here, λ is a magnetostriction constant of the free
図31,32は,応力誘起磁気異方性の制御を実現するMRAM構造を示している。図31に示されているように,基板1の上には,下部電極2が,例えば,Al,Cu,AlCuのような金属で形成される。図32に示されているように,下部電極2は,y軸方向に延設され,上部配線3は,x軸方向に延設されている。自由強磁性層10は,x軸方向に短軸を,y軸方向に長軸を有している。かかる形状は,自由強磁性層10に,y軸方向の形状磁気異方性を与える。図31に示されているように,下部電極2の上方に,下部コンタクト層12,酸化物層13,シード層5,バッファ層6,及び反強磁性層7が順次に形成されている。下部コンタクト層12は,ビア11によって下部電極2に接続されている。反強磁性層7の上には,固定強磁性層8,トンネル絶縁層9,自由強磁性層10が順次に形成されている。自由強磁性層10の上には,酸化物層14と上部コンタクト層15とが順次に形成され,上部コンタクト層15は,ビア22を介して上部配線3に接続されている。自由強磁性層10の組成は,自由強磁性層10の磁歪定数λが正になるように選ばれている。自由強磁性層10がNixFe1−xで形成される場合,xを0.82未満に制御することによって磁歪定数λを正にすることが可能である。
31 and 32 show an MRAM structure that realizes control of stress-induced magnetic anisotropy. As shown in FIG. 31, on the
図33に示されているように,上述の構造は,応力誘起磁気異方性の磁化容易軸(axis of easy magnetization)の方向 (異方性定数:K2)と形状磁気異方性の磁化容易軸方向(異方性定数:K3)の方向とを一致させ,これにより,自由強磁性層10の特性の安定化を可能にする。y軸方向に延伸する下部配線2は,x軸方向(即ち,自由強磁性層10の長軸の方向)に引っ張り応力を,y軸方向(即ち,自由強磁性層10の短軸の方向)に圧縮応力を誘起させる。発明者らの検討によれば,上部配線3が発生する応力が自由強磁性層10に与える影響は小さいことに留意されるべきである。自由強磁性層10の磁歪定数λが正であるため,下部配線2が生成するx軸方向の圧縮応力,及びy軸方向の引っ張り応力は,応力誘起磁気異方性をy軸方向に発生させ,応力誘起磁気異方性と形状磁気異方性の方向とを一致させる。応力誘起磁気異方性と形状磁気異方性の磁化容易軸の方向が一致していることは,自由強磁性層10に大きな一軸性(uniaxiality)を与え,自由強磁性層10をシングルドメイン構造にすることを可能にする。これは,自由強磁性層10の特性を有効に安定化する。具体的には,応力誘起磁気異方性と形状磁気異方性の磁化容易軸方向の一致は,自由強磁性層10の磁界−磁化曲線の角型比を向上し,更に,保磁力のばらつきを抑制する。応力誘起磁気異方性と形状磁気異方性の方向とを一致させないようなMRAMの構造は,書き込み配線に対する一軸異方性の磁化容易軸方向を変動させるため、自由強磁性層10の特性を不所望に不安定化する。
As shown in FIG. 33, the above structure has the direction of the axis of easy magnetization (anisotropy constant: K2) of the stress-induced magnetic anisotropy and the easy magnetization of the shape magnetic anisotropy. The direction of the axial direction (anisotropy constant: K3) is made coincident, and thereby the characteristics of the free
自由強磁性層10の特性を一層に安定化するためには,自由強磁性層10は,その結晶磁気異方性の磁化容易軸の方向が,応力誘起磁気異方性と形状磁気異方性の磁化容易軸の方向と一致するように形成されることが好適である。結晶磁気異方性K1の磁化容易軸の方向が,応力誘起磁気異方性K2及び形状磁気異方性K3の磁化容易軸の方向と一致することは,自由強磁性層10の磁気異方性の一軸性を強くし,これにより,自由強磁性層10の特性を安定化する。
In order to further stabilize the characteristics of the free
図34は,応力誘起磁気異方性の制御を実現する他のMRAM構造を示している。下部配線2はy軸方向に延設され,上部配線3はx軸方向に延設される。磁気抵抗素子4は,自由強磁性層10の長軸がx軸方向に,短軸がy軸方向に向くように形成されている。図34に示されている構造では,自由強磁性層10の長軸と短軸の方向が,図32に示されている自由強磁性層10の長軸と短軸の方向と90°異なることに留意されたい。かかる形状は,自由強磁性層10に,x軸方向の形状磁気異方性を与える。自由強磁性層10の組成は,自由強磁性層10の磁歪定数λが負になるように選ばれている。自由強磁性層10がNixFe1−xで形成される場合,xを0.82よりも大きい値に制御することによって磁歪定数λを負にすることが可能である。
FIG. 34 shows another MRAM structure that realizes control of stress-induced magnetic anisotropy. The
図34の構造は,図31,32に示されている構造と同様に,応力誘起磁気異方性(K2)の磁化容易軸の方向と形状磁気異方性(K3)の磁化容易軸の方向とを一致させ,これにより,自由強磁性層10の特性の安定化を可能にする。既述のように,y軸方向に延伸する下部配線2は,x軸方向(即ち,自由強磁性層10の短軸の方向)に引っ張り応力を,y軸方向(即ち,自由強磁性層10の長軸の方向)に圧縮応力を誘起させる。自由強磁性層10の磁歪定数λが負であるため,下部配線2が生成するx軸方向の圧縮応力,及びy軸方向の引っ張り応力は,応力誘起磁気異方性をx軸方向に発生させ,自由強磁性層10の応力誘起磁気異方性と形状磁気異方性との磁化容易軸の方向を一致させる。
The structure of FIG. 34 is the same as the structure shown in FIGS. 31 and 32, the direction of the easy axis of stress-induced magnetic anisotropy (K2) and the direction of the easy axis of shape magnetic anisotropy (K3). Thus, the characteristics of the free
応力誘起磁気異方性と形状磁気異方性の磁化容易軸の方向が一致するようにMRAMが形成される場合,図35に示されているように,自由強磁性層10は,応力誘起磁気異方性が形状磁気異方性よりも大きくなるように形成されることが好適である。かかる特性の実現は,自由強磁性層10のアスペクト比(即ち,短軸に対する長軸の比)を1に近づけ,もって,磁気抵抗素子4の面積を小さくすることを可能にする。自由強磁性層10のアスペクト比を1に近づけることは,一般には,自由強磁性層10の磁気異方性の一軸性を弱め,自由強磁性層10に環流磁区を形成する原因となり得る。環流磁区の形成は,自由強磁性層10の磁界−磁化曲線の角型比を劣化させ,保磁力のばらつきを増大させる。しかし,応力誘起磁気異方性が形状磁気異方性よりも大きくなるように自由強磁性層10を形成することにより,自由強磁性層10の一軸性が増大され,アスペクト比が小さいことによる一軸性の減少が補償される。ゆえに,形状磁気異方性よりも大きな応力誘起磁気異方性は,自由強磁性層10のアスペクト比を1に近づけることを可能にする。典型的には,応力誘起磁気異方性を形状磁気異方性よりも大きくする技術は,アスペクト比が1.0以上2.0以下の自由強磁性層10,特に,アスペクト比が1.25以上2.0以下の自由強磁性層10に適用されることが好適である。形状磁気異方性よりも大きい応力誘起磁気異方性は,自由強磁性層10の組成の適切な選択を通じて,磁歪定数λを所望値に制御することにより実現可能である。酸化物層14(又は窒化物,酸窒化物)の挿入は,自由強磁性層10の組成を適切に制御することを可能にする点で重要である。
When the MRAM is formed so that the directions of the easy axes of stress-induced magnetic anisotropy and shape magnetic anisotropy coincide with each other, as shown in FIG. It is preferable that the anisotropy is formed to be larger than the shape magnetic anisotropy. Realization of such characteristics makes it possible to reduce the area of the
応力誘起磁気異方性を形状磁気異方性よりも大きくする技術は,MRAMの製造工程で不可避的に生じる形状のばらつきに強い磁気抵抗素子4の作成を可能にする点でも好適である。形状磁気異方性を基礎とする従来の磁気抵抗素子は,素子の加工(露光やエッチング)で生じる形状ばらつきの影響を受けやすく,保磁力のばらつきが大きい。応力誘起磁気異方性を形状磁気異方性よりも大きくする技術は,不可避的な形状ばらつきの影響を減少させ,保磁力のばらつきを有効に抑制する。
The technique for making the stress-induced magnetic anisotropy larger than the shape magnetic anisotropy is also preferable in that the
相互拡散の防止の観点からは,図2に示されているように,酸化物層13の代わりに,充分に厚い下部コンタクト層12’が,磁気抵抗素子4とビア11との間に介設されることが可能である。この場合,シード層5は必要とされない。同様に,図3に示されているように,酸化物層14の代わりに,充分に厚い上部コンタクト層15’が,自由強磁性層10と上部配線3との間に介設されることが可能である。下部コンタクト層12’及び上部コンタクト層15’は,典型的には,TiN,Ta,Ru,W,Zr,及びMoで形成される。下部コンタクト層12’及び上部コンタクト層15’の厚さが充分に厚いことにより,下部配線2及び上部配線3を構成するAl,Cuが磁気抵抗素子4に拡散し,磁気抵抗素子4の反強磁性層7に含まれるMn,バッファ層6及び自由強磁性層10に含まれるNiが下部配線2及び上部配線3に拡散することを防止可能である。
From the viewpoint of preventing interdiffusion, a sufficiently thick
しかし,図1に示されているように,酸化物層13と酸化物層14との両方が使用されることが好適である。相互拡散防止効果が大きい酸化物で形成された酸化物層13及び酸化物層14は,極めて薄い膜厚にすることが可能である。酸化物層13及び酸化物層14が薄いことは,下部配線2と上部配線3とを自由強磁性層10に接近して配置することを可能にする。下部配線2と上部配線3とが自由強磁性層10に接近して配置されていることは,自由強磁性層10の自発磁化を反転するために必要な電流の大きさ(即ち,書き込み動作に必要な電流の大きさ)を抑制するため好適である。
However, it is preferred that both
更に,図2の厚い下部コンタクト層12’を有する構造は,下部配線2,及びビア11と磁気抵抗素子4との間の相互拡散を防止する一方で,下部コンタクト層12’と磁気抵抗素子4との間の相互拡散は防止できない。同様に,図3の厚い上部コンタクト層15’を有する構造は,上部配線2及び磁気抵抗素子4との間の相互拡散を防止する一方で,上部コンタクト層15’と磁気抵抗素子4との間の相互拡散は防止できない。このため,酸化物層13の使用は,厚い下部コンタクト層12’の使用よりも好適であり,酸化物層14の使用は,厚い上部コンタクト層15’の使用よりも好適である。
Further, the structure having the thick
下部配線2を,より自由強磁性層10に接近して配置するためには,図4に示されているように,酸化物層13とシード層5とバッファ層6と反強磁性層7とが,下部配線2の上面を実質的に完全に被覆するように形成されていることが好適である。このような構造は,シード層5とバッファ層6と反強磁性層7とを,自由強磁性層10の自発磁化を反転させる書き込み電流を流す配線の一部にすることを可能にし,該書き込み電流が流される配線を,自由強磁性層10に一層に接近させることが可能である。
In order to dispose the
従来の技術に記述されているように,反強磁性層7に含まれるMnがトンネル絶縁層9に拡散することは,磁気トンネル接合のMR比を劣化する点で好ましくない。反強磁性層7に含まれるMnのトンネル絶縁層9への拡散を防止するためには,固定強磁性層8は,複合磁性層8aと金属強磁性層8bとで形成されていることが好適である。複合磁性層8aは,反強磁性層7の上に形成され,後述されるように,反強磁性層7のMnがトンネル絶縁層9に拡散することを防止する。金属強磁性層8bは,スピン分極率が高く,熱的に安定で拡散しずらいCoを主成分とする金属強磁性合金を用いることが望ましい。Coを主成分とする金属強磁性合金で形成されることにより,金属強磁性層8bは,磁気的にハードになる。「Coを主成分とする」とは,金属強磁性合金を構成する構成の中で,最も原子パーセントが高いものがCoであることを意味している。
As described in the prior art, it is not preferable that Mn contained in the
複合磁性層8aは,酸化されていない金属強磁性体を主成分とし,該金属強磁性体よりも酸素と結合しやすく,且つ,非磁性の元素の酸化物を副成分として混合された複合体薄膜で形成されている。このような複合磁性層8aは,金属的な導電性と強磁性とを保持しつつ,Mnの拡散を防止することができる構造を有している。複合磁性層8aを構成する金属強磁性体としては,典型的にはCoFeが例示され,酸化物としては,TaOx,HfOx,NbOx,ZrOx,CeOx,AlOx,MgOx,SiOx及びTiOxが例示される。これらの非磁性元素は,強磁性元素Fe,Co,Niに比べて酸化物生成自由エネルギーが低く,酸化されやすい。複合磁性層8aに使用される強磁性材料としては,Co,及びCoを主成分とする金属強磁性合金が使用されることが望ましい。Co,及びCoを主成分とする金属強磁性合金は,スピン分極率が高く,酸化されにくく,且つ,熱的に安定で拡散しずらい。
The composite
複合磁性層8aが酸化されていない金属強磁性体を主成分とすることは,複合磁性層8aが導電性と強磁性とを発現する上で重要である。複合磁性層8aが金属的な導電性を有することは,読み出し動作のSN比を向上させる。複合磁性層8aが強磁性を有することは,反強磁性層7の交換相互作用を金属強磁性層8bに到達させ,複合磁性層8aと金属強磁性層8bとの両方を固定強磁性層として機能させる役割を果たす。複合磁性層8aを構成する金属強磁性体の酸化を防止するために,複合磁性層8aを構成する酸化物としては,該金属強磁性体よりも酸化されやすい非磁性元素の酸化物が使用される。
It is important that the composite
複合磁性層8aは,金属強磁性体を構成する元素の原子半径と,酸化物を構成する非磁性元素の原子半径とに応じて,図6(a),(b)のいずれかの構造をとる。金属強磁性体を構成する元素の原子半径よりも酸化物を構成する非磁性元素の原子半径の方が大きい場合,図6(a)に示されているように,複合磁性層8aは,金属強磁性体の柱状単結晶31と,金属強磁性体と非磁性元素の酸化物との混合物のアモルファス相32とで構成される。複合磁性層8aがこのような構造をとるのは,原子半径が大きい非磁性元素により,金属強磁性体の結晶化が阻害されることによると考えられる。複合磁性層8aを構成する金属強磁性体としてCoFeが使用されるときには,複合磁性層8aに含まれる酸化物としてTaOx,HfOx,NbOx,ZrOx,及びCeOxが使用される場合に図6(a)に示されているような構造をとる。
The composite
金属強磁性体を構成する元素の原子半径よりも酸化物を構成する非磁性元素の原子半径の方が小さい場合,図6(b)に示されているように,複合磁性層8aは,金属強磁性体の粒状単結晶33と,粒状単結晶33の粒界に酸化物が析出して形成された非晶質酸化物34とで構成される。このような構造を有する材料は,グラニュラー合金と呼ばれることがある。但し,粒状単結晶33は,完全に孤立しておらず,粒状単結晶33の一部は,直接隣接する粒状単結晶33に接触しているか,非磁性酸化物34に存在するピンホールなどを介して隣接する粒状単結晶33に接触している。このような構造では,粒状単結晶33同士は磁気的に結合しているため,複合磁性層8aはソフト強磁性を示し,且つ,金属的な導電性を示す。複合磁性層8aを構成する金属強磁性体としてCoFeが使用されるときには,複合磁性層8aは,酸化物としてAlOx,MgOx,SiOx,及びTiOxが使用される場合に図6(b)に示されているような構造をとる。
When the atomic radius of the nonmagnetic element constituting the oxide is smaller than the atomic radius of the element constituting the metal ferromagnet, the composite
図6(a),(b)のいずれの構造をとる場合にも,複合磁性層8aは,その内部に含まれる非磁性酸化物の緻密性によって拡散を防止する構造を有している。更に,酸化物を含んで構成される複合磁性層8aは,酸素に対して結合しやすいMnをトラップする作用を有している。即ち,酸化物を含んで構成されている複合磁性層8aにMnが拡散すると,拡散したMnは,酸素と結合して安定化されて複合磁性層8aに固定される。更に,複合磁性層8aは,通常の金属強磁性層が有するような結晶粒界をほとんど持たず,高速拡散経路が低減されているため,拡散防止性が高い。これらの作用により,複合磁性層8aは,固定強磁性層内での磁気的及び電気的な結合を分断することなく,Mnのトンネル絶縁層9への拡散を有効に防止できる性質を有する。このような特性は,従来の酸化物拡散防止層によっては得られない。
6A and 6B, the composite
複合磁性層8aは,酸素ガスを含むスパッタガスを用いた反応性スパッタによって形成可能である。スパッタガスとしては,典型的には,酸素ガスとアルゴンガスとの混合ガスが使用される。スパッタターゲットとしては,典型的には,金属強磁性体と,該金属強磁性体よりも酸化しやすい非磁性元素との合金で形成されたターゲットが使用される。この合金ターゲットを,酸素ガスを含むスパッタガスを用いてスパッタすると,酸素は,金属強磁性体に優先して非磁性金属に結合する。スパッタガスに含まれる酸素の量を適切に調整することにより,非磁性金属のみ酸化し,金属強磁性体を酸化せずに複合磁性層8aを形成可能である。
The composite
図7は,強磁性体であるCoFeと非磁性元素であるTaとで形成された(Co90Fe10)85Ta15合金ターゲットを,酸素ガスを含むスパッタガスによってスパッタすることにより形成された薄膜の抵抗率を示すグラフであり,図8は,該薄膜の飽和磁化を示すグラフである。これらのグラフの横軸には,比[O2]/[Ar]がプロットされている。ここで,[O2]は,スパッタが行われるチャンバーに導入される酸素ガスの流量(sccm)であり,[Ar]は,アルゴンガスの流量(sccm)である。形成された薄膜は,図6(a)に示されている構造,即ち,組成式:(CoFe)zTa1−zOxで示される組成を有する酸化物アモルファス層が大部分を占め,一部にCoFe柱状結晶粒が形成された構造を有している。図7及び図8に示されているように,[O2]/[Ar]が小さいときには,該薄膜は金属的な導電性を示し,且つ,飽和磁化が大きい。[O2]/[Ar]が0.2を超えると,該薄膜の抵抗率は急激に増大し,飽和磁化は急激に減少する。 FIG. 7 shows a thin film formed by sputtering a (Co 90 Fe 10 ) 85 Ta 15 alloy target made of CoFe as a ferromagnetic material and Ta as a nonmagnetic element with a sputtering gas containing oxygen gas. FIG. 8 is a graph showing the saturation magnetization of the thin film. The ratio [O 2 ] / [Ar] is plotted on the horizontal axis of these graphs. Here, [O 2 ] is the flow rate (sccm) of oxygen gas introduced into the chamber where sputtering is performed, and [Ar] is the flow rate (sccm) of argon gas. The formed thin film, the structure shown in FIG. 6 (a), i.e., the composition formula: oxide amorphous layer having a composition represented by (CoFe) z Ta 1-z O x is the majority one It has a structure in which CoFe columnar crystal grains are formed in the part. As shown in FIGS. 7 and 8, when [O 2 ] / [Ar] is small, the thin film exhibits metallic conductivity and has a large saturation magnetization. When [O 2 ] / [Ar] exceeds 0.2, the resistivity of the thin film increases rapidly, and the saturation magnetization decreases rapidly.
これらのグラフは,該薄膜に含まれるCoFeを金属的な状態で存在させるためには,[O2]/[Ar]が0.2よりも小さい必要があることを示している。この推論は,XPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy)を用いた分析によって裏付けられている。図9は,[O2]/[Ar]を0.13及び0.54として作成された該薄膜について,XPSによる分析を行うことによって得られるCo2pスペクトルを示している。図9のCo2pスペクトルは,[O2]/[Ar]が0.13である場合には,該薄膜に含まれるCoはその7割以上が金属状態であり,[O2]/[Ar]が0.54である場合には,該薄膜に含まれるCoは,酸化されていることを示している。 These graphs show that [O 2 ] / [Ar] needs to be smaller than 0.2 in order for CoFe contained in the thin film to exist in a metallic state. This reasoning is supported by analysis using XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy). FIG. 9 shows a Co 2p spectrum obtained by analyzing the thin film prepared with [O 2 ] / [Ar] of 0.13 and 0.54 by XPS. In the Co 2p spectrum of FIG. 9, when [O 2 ] / [Ar] is 0.13, 70% or more of Co contained in the thin film is in a metal state, and [O 2 ] / [Ar ] Of 0.54 indicates that Co contained in the thin film is oxidized.
金属強磁性体としてCoFeが使用され,且つ,非磁性金属の酸化物としてTaOx,HfOx,NbOx,ZrOx,AlOx,MgOx,及びSiOxのいずれかが使用される場合,[O2]/[Ar]が0.2よりも小さければ,CoFeを金属的な状態にして複合磁性膜8aを形成可能である。
When CoFe is used as the metal ferromagnet and any of TaO x , HfO x , NbO x , ZrO x , AlO x , MgO x , and SiO x is used as the nonmagnetic metal oxide, [ If O 2 ] / [Ar] is smaller than 0.2, the composite
上述の,酸化されていない金属強磁性体を主成分とし,該金属強磁性体よりも酸素と結合しやすく,且つ,非磁性の元素の酸化物を副成分として形成された複合体薄膜は,金属強磁性層の結晶構造がなくなり,強磁性結晶粒が小さくなり,強磁性結晶粒が小さくなり,或いは結晶磁気異方性が減少するため,比較的に磁気的にソフトである。この性質は,自由強磁性層10からNiを排除することに利用可能である。Niがトンネル絶縁層9の内部に拡散すると,磁気抵抗素子4のMR比が低下する。更に,Niが上部配線3に拡散すると,上部配線3の抵抗が増大する。Niの拡散の観点から,Niは,自由強磁性層10から排除されることが望ましい。
The composite thin film formed of the above-mentioned non-oxidized metal ferromagnet as a main component, which is easier to combine with oxygen than the metal ferromagnet and is formed by using a non-magnetic element oxide as a subcomponent, Since the metal ferromagnetic layer loses its crystal structure, the ferromagnetic crystal grains become smaller, the ferromagnetic crystal grains become smaller, or the magnetocrystalline anisotropy is reduced, so that it is relatively magnetically soft. This property can be used to eliminate Ni from the free
図10は,かかる複合体薄膜を使用して自由強磁性層10からNiを排除する構造を示している。自由強磁性層10は,スピン分極率が高く,且つ,熱的に安定で拡散しにくい材料で形成された金属強磁性層10aと,上述の複合体薄膜で形成された複合磁性層10bとで形成されている。金属強磁性層10aは,トンネル絶縁層9の上に形成され,複合磁性層10bは,金属強磁性層10aの上に形成されている。金属強磁性層10aは,Coを主成分とする強磁性合金が望ましく,典型的には,CoFeで形成される。複合磁性層10bは,Niを含まない強磁性体(典型的にはCoFe)と,非磁性の金属の酸化物とが混合された複合体薄膜で形成される。このような構造を有する自由強磁性層10は,高いスピン分極率と熱安定性とを有する材料で形成された金属強磁性層10aをトンネル絶縁層9に直接に接することにより,高いMR比を実現する。更に,磁気的にソフトな複合磁性層10bは,金属強磁性層10aに交換相互作用を及ぼして金属強磁性層10aをソフト化し,自由強磁性層10の全体をソフト化する。
FIG. 10 shows a structure in which Ni is excluded from the free
図10に示された構造を有する自由強磁性層10よりも,よりソフトな自由強磁性層を得るためには,図11に示されているように,Niを含む強磁性体,典型的には,NiFeで形成されたソフト強磁性層10cを複合磁性層10bの上に形成することが可能である。上述の複合体薄膜で形成された複合磁性層10bは,Niに対しても拡散を防止する効果を示す。したがって,ソフト強磁性層10cに含まれるNiのトンネル絶縁層9への拡散は,複合磁性層10bによって防止される。更に,ソフト強磁性層10cから上部配線3へのNiの拡散は,上述の酸化物層14によって防止される。図11に示されている構造は,MR比を高くしながら,Niのトンネル絶縁層9及び上部電極層3への拡散を防止できる点で好適である。
In order to obtain a softer free ferromagnetic layer than the free
図10又は図11に示された磁気抵抗素子4は,自由強磁性層10に複合磁性層10bが付加されるために,自由強磁性層10全体の飽和磁化が大きくなり,反磁場が増大する問題を有している。反磁場を減少させる方法として,図12に示されているように,自由強磁性層10を,金属強磁性層10d,複合磁性層10e,非磁性層10f,複合磁性層10g,及びソフト強磁性層10hで形成することが好適である。金属強磁性層10dは,CoFeのように,高いスピン分極率を有する強磁性体で形成される。複合磁性層10e,10gは,上述の複合体薄膜で形成され,ソフトな強磁性を示す。ソフト強磁性層10hは,Niを含む強磁性体,典型的には,NiFeで形成される。非磁性層10fは,複合磁性層10eと複合磁性層10gを,反強磁性的に強く結合させる性質を有する材料,典型的にはCu,Cr,Rh,Ru,RuOxで形成される。
In the
非磁性層10fの作用により,金属強磁性層10d及び複合磁性層10eが有する自発磁化と,複合磁性層10g及びソフト強磁性層10hが有する自発磁化とは,反強磁性的に結合され,反平行になる。米国特許公報第5,408,377号に開示されているように,自由強磁性層4を,2つの強磁性層と,該強磁性層の間に挟まれ,該強磁性層を反強磁性的に結合する非磁性層とで構成することにより,自由強磁性層の実効的な飽和磁場,ひいては,反磁場を減少させることができる。反磁場が低減されることで,自由強磁性層4の反転磁場(保磁力)が低減される。したがって,図12に示された構造は,MR比を高くし,Niのトンネル絶縁層9及び上部電極層3への拡散を防止し,更に,自由強磁性層10をソフトにすることが可能である。
Due to the action of the nonmagnetic layer 10f, the spontaneous magnetization possessed by the metal ferromagnetic layer 10d and the composite magnetic layer 10e and the spontaneous magnetization possessed by the composite
図12の構造において,充分にソフトな自由強磁性層10が得られる場合には,ソフト強磁性層10hは設けられないことも可能である。ソフト強磁性層10hを排除することにより,Niを自由強磁性層10から排除し,Niの拡散による悪影響を根本的に回避することができる。
In the structure of FIG. 12, if a sufficiently soft free
更に,図12の構造において,自由強磁性層10の内部における反強磁性的な結合を強固にするためには,図13に示されているように,非磁性層10fの両側の界面に,金属強磁性層10iを設けることが好適である。金属強磁性層10iとして,Coを主成分とし,且つ,Niを含まない強磁性合金を用いることにより,強固な反強磁性的結合が得られる。金属強磁性層10iを設けることが好適である。金属強磁性層10iは,Co,又はCo90Fe10で形成されることが好適である。
Furthermore, in the structure of FIG. 12, in order to strengthen the antiferromagnetic coupling inside the free
磁気抵抗素子の特性を良好にするためには,図14に示されているように,自由強磁性層10に適切なバイアス磁場を印加する磁気バイアス層20が設けられることがある。適切なバイアス磁場の印加は,自由強磁性層10のヒステリシス曲線の磁場印加方向に対する非対称性を解消する。
In order to improve the characteristics of the magnetoresistive element, a
磁気バイアス層20は,保護層16と,強磁性体で形成される強磁性層17と,反強磁性体で形成される反強磁性層18と,保護層19とで構成される。保護層16,19は,典型的には,Ta,Zrで形成される。強磁性層17は,典型的には,CoFeで形成される。反強磁性層18は,Mnを含む反強磁性体,典型的には,PtMn,IrMnで形成される。強磁性層17と反強磁性層18との位置は交換可能である。
The
反強磁性層18は,反強磁性体7と同様に,Mnの拡散の問題を引き起こす。Mnの拡散の問題を防止するために,磁気抵抗素子に磁気バイアス層20が設けられる場合には,磁気バイアス層20は,酸化物層14の上に形成され,磁気バイアス層20と上部コンタクト層15との間には,酸化物層21が設けられる。酸化物層14は,Mnのトンネル絶縁層9への拡散を防止し,酸化物層21は,Mnの上部配線3への拡散を防止する。
The
酸化物層21に求められる物性は,酸化物層13と同様であり,酸化物層13に好適な材料及び構造は,酸化物層21にも好適である。第1に,酸化物層21の構造を緻密化し,高温まで熱的安定性を保ち,且つ,相互拡散の抑制効果を増大するためには,酸化物層21は,Al,Mg,Si,Hf,Li,Ca,及びTiの酸化物で形成することが好適である。更に,トンネル絶縁層9の抵抗の検出のSN比を向上するためには,酸化物層21の厚さ方向の抵抗は,トンネル絶縁層9の厚さ方向の抵抗より小さいことが好適である。更に,酸化物層21の厚さが1nm以下であることは,酸化物層14の抵抗を極度に小さくし,トンネル絶縁層9の抵抗の検出のSN比を向上する点から好適である。更に,トンネル絶縁層9と酸化物層21とを同一の材料で形成することは,トンネル絶縁層9と酸化物層21とを共通の装置及び材料で形成でき,MRAMの製造に要するコストを低減できる点で好適である。
The physical properties required for the
酸化物層21は,その下面(基板1の側の面)及び上面に接する層(即ち,下部コンタクト層12及びシード層5)を構成する材料よりも,酸素と結合する力が大きい材料の酸化物を用いることが好適である。そうでない材料の酸化物を酸化物層21に使用することは,酸化物層21の下面及び上面に接する層に酸素が拡散し,酸化物層21の拡散防止効果を失わせるため好適でない。上部コンタクト層15にTa,保護層19にTa,又はCrを使用する場合には,それらより酸化物生成自由エネルギーが低いAl,Mg,Si,Hf,Li,Ca,及びTiの酸化物を酸化物層21として使用することが好適である。
The
図2の下部コンタクト層12’の構造,図3の上部コンタクト層15’の構造,図5の固定強磁性層8の構造,図10から図13の自由強磁性層10の構造,及び図14の磁気バイアス層20の構造は,組み合わされて使用され得る。たとえば,図15に示されている構造が採用され得る。図15のMRAMでは,固定強磁性層8が複合磁性層8aと強磁性層8bとで形成される。更に,自由強磁性層10が,金属強磁性層10aと複合強磁性層10bとソフト強磁性層10cとで形成される。更に,酸化物層14の上に磁気バイアス層20が設けられ,磁気バイアス層20と上部コンタクト層15との間には,酸化物層21が設けられている。
The structure of the
図16は,磁気抵抗素子の,より現実的な構造を示している。上部コンタクト層15と上部配線3とは,ビア22で接続されている。ビア22は,典型的には,Al,Cu,W,及びTiNで形成される。更に,図16の磁気抵抗素子では,トンネル絶縁層9が,基板1の主面に垂直な方向においてビア11とオーバーラップしないような位置に設けられる。このようなトンネル絶縁層9の配置は,トンネル絶縁層9の欠陥を減少できる点で好ましい。金属で形成されるビア11は,その表面に凹凸が発生することは回避しがたい。図1に示されているように,凹凸を有するビア11の上方にトンネル絶縁層9が位置すると,トンネル絶縁層9にも凹凸が発生し,トンネル絶縁層9に欠陥が発生しやすい。図16に示されているように,トンネル絶縁層9が,ビア11とオーバーラップしない配置は,トンネル絶縁層9の欠陥を減少できる。
FIG. 16 shows a more realistic structure of the magnetoresistive element. The
トンネル絶縁層9が,基板1の主面に垂直な方向においてビア11とオーバーラップしない配置が採用される場合にも,図2の下部コンタクト層12’の構造,図3の上部コンタクト層15’の構造,図5の固定強磁性層8の構造,図10から図13の自由強磁性層10の構造,及び図14の磁気バイアス層20の構造は,組み合わされて使用され得る。たとえば,図17に示されている構造が採用され得る。図17のMRAMでは,磁気抵抗素子4と下部配線2とは,厚い下部コンタクト層12’によって電気的に接続されている。更に,固定強磁性層8が複合磁性層8aと強磁性層8bとで形成される。酸化物層14の上に磁気バイアス層20が設けられ,磁気バイアス層20と上部コンタクト層15との間には,酸化物層21が設けられている。
Even when the
トンネル絶縁層9が,基板1の主面に垂直な方向においてビア11とオーバーラップしない配置は,図18に示されているように,ビア11に電気的に接続される下部配線2をMRAMの読み出し専用に使用し,下部配線2に電気的に絶縁され,下部配線2と平行に設けられた書き込み配線2’を設ける場合に好適である。このような配置が採用される場合,自由強磁性層10に記憶されたデータの判別(すなわち,トンネル絶縁層9の抵抗の検知)は,上部配線3と下部配線2との間に電圧を印加した時に流れる電流を検知することによって行われる。一方,自由強磁性層10へのデータの書き込みは,上部配線3と書き込み配線2’に書き込み電流を流すことによって行われる。
The arrangement in which the
更に,上部配線3としてCu層が使用される場合には,図18に示されているように,自由強磁性層10と上部配線層3との間に介設される酸化物層14は,上部配線3と磁気抵抗素子4を被覆する層間絶縁膜(符号は付されていない)とを分離するように形成されることが好適である。この場合,上部コンタクト層15は使用されず,自由強磁性層10と酸化物層14との間に保護層23が設けられる。保護層23は,典型的には,Ta及びZrで形成される。このような構造は,磁気抵抗素子4と上部配線3との間の相互拡散の防止と,上部配線3を構成するCuの層間絶縁膜への拡散の防止とが,酸化物層14によって実現される点で好適である。
Further, when a Cu layer is used as the
以上に述べられた本実施の形態の磁気抵抗素子4の構造は,磁気読み出しヘッドに適用可能であることは自明的である。
It is obvious that the structure of the
酸化物層13と酸化物層14とを設けることによる磁気抵抗素子の特性の向上が,下記構造を有する2つの試料により確認された。
比較例1の試料:
基板/Ta(3nm)/AlCu(50nm)/Ta(3nm)/Ni81Fe19(3nm)/IrMn(10nm)/Co90Fe10(6nm)/AlOx(2nm)/Co90Fe10(2.5nm)/Ni81Fe19(7.5nm)/Ta(5nm)/AlCu(300nm)
実施例1の試料(本発明):
基板/Ta(3nm)/AlCu(50nm)/Ta(3nm)/Al2O3(1nm)/Ta(3nm)/Ni81Fe19(3nm)/IrMn(10nm)/Co90Fe10(6nm)/AlOx(2nm)/Co90Fe10(2.5nm)/Ni81Fe19(7.5nm)/Al2O3(1nm)/Ta(5nm)/AlCu(300nm)
Improvement of the characteristics of the magnetoresistive element by providing the
Sample of Comparative Example 1:
Substrate / Ta (3 nm) / AlCu (50 nm) / Ta (3 nm) / Ni 81 Fe 19 (3 nm) / IrMn (10 nm) / Co 90 Fe 10 (6 nm) / AlO x (2 nm) / Co 90 Fe 10 (2 .5 nm) / Ni 81 Fe 19 (7.5 nm) / Ta (5 nm) / AlCu (300 nm)
Sample of Example 1 (invention):
Substrate / Ta (3 nm) / AlCu (50 nm) / Ta (3 nm) / Al 2 O 3 (1 nm) / Ta (3 nm) / Ni 81 Fe 19 (3 nm) / IrMn (10 nm) / Co 90 Fe 10 (6 nm) / AlO x (2 nm) / Co 90 Fe 10 (2.5 nm) / Ni 81 Fe 19 (7.5 nm) / Al 2 O 3 (1 nm) / Ta (5 nm) / AlCu (300 nm)
比較例1の試料は,図1の構造から酸化物層13及び酸化物層14が排除された構造に相当する。実施例1の試料は,図1の構造に相当する構造を有し,厚さ1nmのAl2O3で形成された酸化物層13及び酸化物層14を含んでいる。厚さ50nmのAlCu層は,下部配線2に相当し,厚さ300nmのAlCu層は,上部配線3に相当する。
The sample of Comparative Example 1 corresponds to a structure in which the
図19は,比較例1及び実施例1の試料のMR比の,熱処理温度に対する依存性を示している。比較例1の試料は,約300℃を超える温度の熱処理により,MR比が劣化するのに対し,実施例1の試料は,より高温の300℃までの熱処理に耐え,それ以上の高温でも温度に対する減少度合いは低い。これは,厚さ1nmのAl2O3で形成された酸化物層13及び酸化物層14により,Al及びCuが,AlCu層から磁気トンネル接合に拡散することが防止されたためと考えられる。
FIG. 19 shows the dependence of the MR ratio of the samples of Comparative Example 1 and Example 1 on the heat treatment temperature. The MR ratio of the sample of Comparative Example 1 is deteriorated by heat treatment at a temperature exceeding about 300 ° C., whereas the sample of Example 1 can withstand heat treatment up to a higher temperature of 300 ° C. The degree of decrease is low. This is presumably because Al and Cu were prevented from diffusing from the AlCu layer to the magnetic tunnel junction by the
更に,酸化物層13が,バッファ層6と反強磁性層7とから下部配線2にNi,及びMnが拡散するのを防ぐ効果が,下記構造を有する3つの試料を用いて確認された。
比較例2の試料:
基板/Ta(3nm)/AlCu(50nm)/Ta(3nm)/Ni81Fe19(3nm)/IrMn(10nm)/Co90Fe10(4nm)
実施例2の試料(本発明):
基板/Ta(3nm)/AlCu(50nm)/Ta(3nm)/Al2O3(1nm)/Ta(3nm)/Ni81Fe19(3nm)/IrMn(10nm)/Co90Fe10(4nm)
実施例3の試料(本発明):
基板/Ta(3nm)/AlCu(50nm)/Ta(3nm)/MgO(1nm)/Ta(3nm)/Ni81Fe19(3nm)/IrMn(10nm)/Co90Fe10(4nm)
Furthermore, the effect of preventing the
Sample of Comparative Example 2:
Substrate / Ta (3 nm) / AlCu (50 nm) / Ta (3 nm) / Ni 81 Fe 19 (3 nm) / IrMn (10 nm) / Co 90 Fe 10 (4 nm)
Sample of Example 2 (invention):
Substrate / Ta (3 nm) / AlCu (50 nm) / Ta (3 nm) / Al 2 O 3 (1 nm) / Ta (3 nm) / Ni 81 Fe 19 (3 nm) / IrMn (10 nm) / Co 90 Fe 10 (4 nm)
Sample of Example 3 (invention):
Substrate / Ta (3 nm) / AlCu (50 nm) / Ta (3 nm) / MgO (1 nm) / Ta (3 nm) / Ni 81 Fe 19 (3 nm) / IrMn (10 nm) / Co 90 Fe 10 (4 nm)
比較例2の試料は,図1の構造のトンネル絶縁層9よりも基板1に近い部分のから,酸化物層13が除去された構造に相当する。実施例2の試料は,トンネル絶縁層9よりも基板1に近い部分の構造に相当し,酸化物層13として厚さ1nmのAl2O3が使用されている。実施例3の試料は,トンネル絶縁層9よりも基板1に近い部分の構造に相当し,酸化物層13として厚さ1nmのMgOが使用されている。全ての試料について,厚さ50nmのAlCu層は,下部電極2に相当する。
The sample of Comparative Example 2 corresponds to a structure in which the
図20は,比較例2及び実施例2の試料について,AlCu層のシート抵抗の熱処理温度に対する依存性を示している。酸化物層13を有しない比較例2の試料は,熱処理温度が300℃を超えるとAlCu層のシート抵抗が急激に増加する。一方,Al2O3で形成された酸化物層13を有する実施例2の試料は,350℃の熱処理を行ってもシート抵抗は増加せず,約400℃の熱処理を行ってもシート抵抗の増加は微少である。
FIG. 20 shows the dependence of the sheet resistance of the AlCu layer on the heat treatment temperature for the samples of Comparative Example 2 and Example 2. In the sample of Comparative Example 2 that does not have the
図21は,熱処理を様々な温度で行ったときの比較例2,実施例2及び実施例3の試料のAlCu層のシート抵抗を示している。図21に示されているように,酸化物層13を有しない比較例2の試料は,350℃,400℃の熱処理によりシート抵抗が増加する。一方,Al2O3で形成された酸化物層13を有する実施例2の試料,及びMgOで形成された酸化物層13を有する実施例3の試料は,350℃の熱処理によっては影響を受けない。更に,実施例2及び実施例3の試料は,400℃の熱処理によるシート抵抗の増加は微少である。
FIG. 21 shows the sheet resistance of the AlCu layer of the samples of Comparative Example 2, Example 2 and Example 3 when the heat treatment is performed at various temperatures. As shown in FIG. 21, the sheet resistance of the sample of Comparative Example 2 that does not have the
更に,酸化物層14が,上部配線3と自由強磁性層10との間の相互拡散を防止する効果が,下記構造を有する2つの試料を用いて確認された。
比較例3の試料:
基板/Ta(1.5nm)/Co90Fe10(10nm)/AlOx(2nm)/Co90Fe10(2.5nm)/Ni81Fe19(7.5nm)/Ta(5nm)/AlCu(300nm)
実施例4の試料(本発明)
基板/Ta(1.5nm)/Co90Fe10(10nm)/AlOx(2nm)/Co90Fe10(2.5nm)/Ni81Fe19(7.5nm)/Al2O3(1nm)/Ta(5nm)/AlCu(300nm)
Further, the effect of the
Sample of Comparative Example 3:
Substrate / Ta (1.5 nm) / Co 90 Fe 10 (10 nm) / AlO x (2 nm) / Co 90 Fe 10 (2.5 nm) / Ni 81 Fe 19 (7.5 nm) / Ta (5 nm) / AlCu ( 300nm)
Sample of Example 4 (present invention)
Substrate / Ta (1.5 nm) / Co 90 Fe 10 (10 nm) / AlO x (2 nm) / Co 90 Fe 10 (2.5 nm) / Ni 81 Fe 19 (7.5 nm) / Al 2 O 3 (1 nm) / Ta (5 nm) / AlCu (300 nm)
比較例3,実施例4の両者について,厚さ2.5nmのCo90Fe10層と,厚さ7.5nmのNi81Fe19層とは,自由強磁性層10に相当し,厚さ300nmのAlCu層は,上部配線3に相当する。実施例4に含まれる厚さ1nmのAl2O3層は,酸化物層14に相当する。比較例3及び実施例4の試料では,Mnの拡散の影響を排除するために,反強磁性層7は設けられていない。
For both Comparative Example 3 and Example 4, the Co 90 Fe 10 layer with a thickness of 2.5 nm and the Ni 81 Fe 19 layer with a thickness of 7.5 nm correspond to the free
図22は,比較例3及び実施例4の試料のMR比の,熱処理温度に対する依存性を示している。比較例3の試料は,約300℃を超える温度の熱処理によってMR比が劣化するのに対し,実施例4の試料は,より高温の370℃までの熱処理に耐える。また,400℃の熱処理においてもMR比は20%程度を保っている。これは,厚さ1nmのAl2O3で形成された酸化物層14により,Al及びCuが,AlCu層から磁気トンネル接合に拡散することが防止されたためと考えられる。
FIG. 22 shows the dependence of the MR ratio of the samples of Comparative Example 3 and Example 4 on the heat treatment temperature. The sample of Comparative Example 3 deteriorates the MR ratio by heat treatment at a temperature exceeding about 300 ° C., whereas the sample of Example 4 can withstand heat treatment up to a higher temperature of 370 ° C. Further, the MR ratio is maintained at about 20% even in the heat treatment at 400 ° C. This is presumably because Al and Cu were prevented from diffusing from the AlCu layer to the magnetic tunnel junction by the
図23は,比較例3の試料のNi81Fe19層の磁化曲線を示しており,図24は,実施例4の試料のNi81Fe19層の磁化曲線を示している。磁化曲線は,振動式磁化測定装置によって測定されている。図23に示されているように,比較例3の試料は,380℃の熱処理を行うと,飽和磁化が減少し,ヒステリシス曲線の急峻さを失い,保磁力が増大する。これは,AlCu層とNi81Fe19層との間の相互拡散に起因する。一方,図24に示されているように,実施例4の試料の磁化曲線は,380℃の熱処理によって影響を受けない。これは,Al2O3層が,AlCu層とNi81Fe19層との間の相互拡散を防止するためである。 FIG. 23 shows the magnetization curve of the Ni 81 Fe 19 layer of the sample of Comparative Example 3, and FIG. 24 shows the magnetization curve of the Ni 81 Fe 19 layer of the sample of Example 4. The magnetization curve is measured by a vibration type magnetometer. As shown in FIG. 23, when the sample of Comparative Example 3 is heat-treated at 380 ° C., the saturation magnetization decreases, the steep hysteresis curve is lost, and the coercive force increases. This is due to interdiffusion between the AlCu layer and the Ni 81 Fe 19 layer. On the other hand, as shown in FIG. 24, the magnetization curve of the sample of Example 4 is not affected by the heat treatment at 380 ° C. This is because the Al 2 O 3 layer prevents interdiffusion between the AlCu layer and the Ni 81 Fe 19 layer.
更に,Al2O3層及びMgO層で形成されている酸化物層14が,上部配線3と自由強磁性層10との間の相互拡散を防止する効果が,下記の4つの試料によって確認された。
比較例4の試料:
基板/Co90Fe10(2.5nm)/Ni81Fe19(7.5nm)/Ta(6nm)/AlCu(300nm)
比較例5の試料:
基板/Co90Fe10(2.5nm)/Ni81Fe19(7.5nm)/Ta(50nm)/AlCu(300nm)
実施例5の試料(本発明):
基板/Co90Fe10(2.5nm)/Ni81Fe19(7.5nm)/Al2O3(1nm)/Ta(6nm)/AlCu(300nm)
実施例6の試料(本発明):
基板/Co90Fe10(2.5nm)/Ni81Fe19(7.5nm)/MgO(1nm)/Ta(6nm)/AlCu(300nm)
Further, the following four samples confirmed that the
Sample of Comparative Example 4:
Substrate / Co 90 Fe 10 (2.5 nm) / Ni 81 Fe 19 (7.5 nm) / Ta (6 nm) / AlCu (300 nm)
Sample of Comparative Example 5:
Substrate / Co 90 Fe 10 (2.5 nm) / Ni 81 Fe 19 (7.5 nm) / Ta (50 nm) / AlCu (300 nm)
Sample of Example 5 (invention):
Substrate / Co 90 Fe 10 (2.5 nm) / Ni 81 Fe 19 (7.5 nm) / Al 2 O 3 (1 nm) / Ta (6 nm) / AlCu (300 nm)
Sample of Example 6 (invention):
Substrate / Co 90 Fe 10 (2.5 nm) / Ni 81 Fe 19 (7.5 nm) / MgO (1 nm) / Ta (6 nm) / AlCu (300 nm)
比較例4の試料は,図1の構造のトンネル絶縁層9よりも基板1から離れた部分から,酸化物層14が除去された構造に相当する。比較例5の試料は,比較例4の試料において上部コンタクト層15’に相当するTaを50nmと厚くしており,上部配線3であるAlCuからの拡散を防止したような構造である。実施例5の試料は,図1の構造のトンネル絶縁層9よりも基板1から離れた部分の構造に相当し,酸化物層14として厚さ1nmのAl2O3が使用されている。実施例6の試料は,図1の構造のトンネル絶縁層9よりも基板1から離れた部分の構造に相当し,酸化物層14として厚さ1nmのMgOが使用されている。比較例4,比較例5,実施例5,及び実施例6の全てについて,Co90Fe10層とNi81Fe19層とで構成される積層構造が,自由強磁性層に相当する。
The sample of Comparative Example 4 corresponds to a structure in which the
図25は,比較例4,比較例5,実施例5,及び実施例6の試料の自由強磁性層の飽和磁化の熱処理温度に対する依存性を示している。比較例4の試料は,図25に示されているように,約380℃の熱処理によって飽和磁化が低下し,且つ,保磁力が増加する。400℃の熱処理後では飽和磁化は殆どなくなり,その磁化曲線は,常磁性的な形状を示した。比較例5では,比較例4のような保磁力の増大は見られなかったものの,飽和磁化の値は熱処理温度の温度と共に着実に減少している。更に,比較例4では上部配線に相当するAlCu層と,自由強磁性層10に相当するCo90Fe10層及びNi81Fe19層との間の相互拡散が顕著であった。比較例5ではAl層とCo90Fe10層及びNi81Fe19層との間の相互拡散は防止されるが,上部コンタクト層15’に相当する50nmのTa層と,Al層とCo90Fe10層及びNi81Fe19層との間の相互拡散が生じている。これに対し,実施例5及び実施例6の試料は,全ての熱処理温度において飽和磁化が変化しておらず,より高温の400℃までの熱処理に耐える。
FIG. 25 shows the dependence of the saturation magnetization of the free ferromagnetic layer of the samples of Comparative Example 4, Comparative Example 5, Example 5, and Example 6 on the heat treatment temperature. In the sample of Comparative Example 4, as shown in FIG. 25, the saturation magnetization is lowered and the coercive force is increased by the heat treatment at about 380 ° C. The saturation magnetization almost disappeared after the heat treatment at 400 ° C., and the magnetization curve showed a paramagnetic shape. In Comparative Example 5, the coercive force did not increase as in Comparative Example 4, but the saturation magnetization value steadily decreased with the temperature of the heat treatment temperature. Further, in Comparative Example 4, interdiffusion between the AlCu layer corresponding to the upper wiring and the Co 90 Fe 10 layer and Ni 81 Fe 19 layer corresponding to the free
更に,AlOx層で形成されている酸化物層14が,自由強磁性層10を3nm以下まで薄くすることを可能にすることが下記の試料によって確認された。
実施例7の試料(本発明):
基板/Ta(10nm)/AlOx/Ni81Fe19/AlOx/Ta(10nm)
基板に近い方のAlOx膜は,トンネル絶縁層9に対応し,Ni81Fe19膜は,自由強磁性層10に対応している。更に,基板から離れた方のAlOx膜は,酸化物層14に対応し,基板から離れたほうのTa膜は,上部コンタクト層15に対応している。トンネル絶縁層9に対応するAlOx膜は,1.5nmの厚さのAl膜が酸素プラズマによって酸化されることによって形成され,酸化物層14に対応するAlOx膜は,0.65nmの厚さのAl膜が酸素プラズマによって酸化されることによって形成されている。Ni81Fe19膜の厚さは,3.0nm,2.6nm,2.2nm,1.4nm,及び1.0nmのうちから選択されている。Ni81Fe19膜は,スパッタリングによって形成されている。熱処理と磁化の測定は,図26の試料と同一の条件で行われた。即ち,熱処理の温度は,250〜400℃,時間は,30minである。磁化Msは,振動式磁力計によって測定されている。
Furthermore, the following sample confirmed that the
Sample of Example 7 (present invention):
Substrate / Ta (10 nm) / AlO x / Ni 81 Fe 19 / AlO x / Ta (10 nm)
The AlO x film closer to the substrate corresponds to the
図36に示されているように,実施例7の試料は,Ni81Fe19膜の厚さが1.4nmまで薄くされても,400℃までの熱処理に対して4πMs×tが安定している。4πMs×tは,2.2(T・nm)から1.2(T・nm)まで低下させることができた。実施例7の試料のNi81Fe19膜の保磁力(反転磁界)は,0.5〜1.5(Oe)の範囲で安定であった。これは,酸化物層14の挿入により,自由強磁性層10を薄膜化し,これにより,保磁力を充分に安定的に低くすることができることを意味している。
As shown in FIG. 36, the sample of Example 7 shows a stable 4πM s × t with respect to the heat treatment up to 400 ° C. even when the thickness of the Ni 81 Fe 19 film is reduced to 1.4 nm. ing. 4πM s × t could be reduced from 2.2 (T · nm) to 1.2 (T · nm). The coercive force (reversal magnetic field) of the Ni 81 Fe 19 film of the sample of Example 7 was stable in the range of 0.5 to 1.5 (Oe). This means that the insertion of the
更に,自由強磁性層10を強磁性層10aと非磁性金属で形成された拡散層10bとで構成することによる積Ms×tの低減の効果が,下記の試料によって確認された。
実施例8の試料(本発明):
基板/Ta(10nm)/AlOx/Ni81Fe19(1.6nm)/非磁性金属層/AlOx/Ta(10nm)
基板に近い方のAlOx膜は,トンネル絶縁層9に対応している。Ni81Fe19膜は,自由強磁性層10の強磁性層10aに対応し,非磁性金属層は,拡散層10bに対応している基板から離れた方のAlOx膜は,酸化物層14に対応し,基板から離れたほうのTa膜は,上部コンタクト層15に対応している。トンネル絶縁層9に対応するAlOx膜は,1.5nmの厚さのAl膜が酸素プラズマによって酸化されることによって形成され,酸化物層14に対応するAlOx膜は,0.65nmの厚さのAl膜が酸素プラズマによって酸化されることによって形成されている。非磁性金属層としては,厚さ0.6nmのTa膜,厚さ0.3nmのTa膜,厚さ0.3nmのRu膜及び厚さ0.3nmのCu膜が使用された。
Furthermore, the following sample confirmed the effect of reducing the product Ms × t by constituting the free
Sample of Example 8 (invention):
Substrate / Ta (10 nm) / AlO x / Ni 81 Fe 19 (1.6 nm) / Nonmagnetic metal layer / AlO x / Ta (10 nm)
The AlO x film closer to the substrate corresponds to the
図37に示されているように,実施例8の試料の構造は,Ni81Fe19膜の4πMs×tを,1(T・nm)以下まで低減することを可能にする。しかも,実施例8の試料のNi81Fe19膜の4πMs×tは,400℃の熱処理に対して安定である。実施例8の試料のNi81Fe19膜の保磁力は,1.5(Oe)以下であり,充分に低い保磁力が得られている。 As shown in FIG. 37, the structure of the sample of Example 8 makes it possible to reduce 4πMs × t of the Ni 81 Fe 19 film to 1 (T · nm) or less. Moreover, the 4πMs × t of the Ni 81 Fe 19 film of the sample of Example 8 is stable with respect to the heat treatment at 400 ° C. The coercive force of the Ni 81 Fe 19 film of the sample of Example 8 is 1.5 (Oe) or less, and a sufficiently low coercive force is obtained.
更に,非磁性金属層が自由強磁性層10の中間に挿入されても,積Ms×tの低減が実現可能であることが,下記の試料によって確認された。
実施例9の試料(本発明):
基板/Ta(10nm)/AlOx/Ni81Fe19(1.6nm)/非磁性金属層/Ni81Fe19(0.8nm)/AlOx/Ta(10nm)
基板に近い方のAlOx膜は,トンネル絶縁層9に対応し,非磁性金属層を挟む2つのNi81Fe19膜は,自由強磁性層10の強磁性層10a,10cに対応している。非磁性金属層は,拡散層10bに対応している。更に,基板から離れた方のAlOx膜は,酸化物層14に対応し,基板から離れた方のTa膜は,上部コンタクト層15に対応している。トンネル絶縁層9に対応するAlOx膜は,1.5nmの厚さのAl膜が酸素プラズマによって酸化されることによって形成され,酸化物層14に対応するAlOx膜は,0.65nmの厚さのAl膜が酸素プラズマによって酸化されることによって形成されている。非磁性金属層としては,0.3nmのTa膜が使用されている。
Further, it was confirmed by the following sample that the product Ms × t can be reduced even if the nonmagnetic metal layer is inserted in the middle of the free
Sample of Example 9 (invention):
Substrate / Ta (10 nm) / AlO x / Ni 81 Fe 19 (1.6 nm) / Nonmagnetic metal layer / Ni 81 Fe 19 (0.8 nm) / AlO x / Ta (10 nm)
The AlO x film closer to the substrate corresponds to the
図37に示されているように,実施例9の試料の自由強磁性層10の4πMs×tは,1(T・nm)以下まで低減され,その4πMs×tは,400℃の熱処理に対して安定であった。これは,非磁性金属層の材料,その厚さ,及びその位置を最適に調整することにより,自由強磁性層10の積Ms×tを安定的に低減することが可能であることを示している。
As shown in FIG. 37, 4πM s × t of the free
更に,自由強磁性層10の一部を酸化することによって積Ms×tの低減が実現可能であることが,下記の試料によって確認された。
比較例6の試料:
基板/Ta(10nm)/AlOx/Ni81Fe19(2.2nm)/AlOx/Ta(10nm)
実施例10の試料(本発明):
基板/Ta(10nm)/AlOx/Ni81Fe19/NiFeOx/AlOx/Ta(10nm)
基板に近い方のAlOx膜は,トンネル絶縁層9に対応し,Ni81Fe19膜は,自由強磁性層10に対応している。更に,基板から離れた方のAlOx膜は,酸化物層14に対応し,基板から離れたほうのTa膜は,上部コンタクト層15に対応している。トンネル絶縁層9に対応するAlOx膜は,1.5nmの厚さのAl膜が酸素プラズマによって酸化されることによって形成さている。Ni81Fe19膜,NiFeOx膜,及び酸化物層14に対応するAlOx膜は,下記の工程によって形成されている。まず,トンネル絶縁層9に対応するAlOx膜の上に,厚さ2.2nmのNi81Fe19膜が形成された。そのNi81Fe19膜の上に,厚さ0.65nmのAl膜が形成された。Al膜の形成の後,Al膜の表面が酸素プラズマに曝露された。酸素プラズマの曝露により,Al膜と,Ni81Fe19膜の一部が酸化され,NiFeOx膜,及び酸化物層14に対応するAlOx膜が形成された。
Furthermore, it was confirmed by the following sample that the product Ms × t can be reduced by oxidizing a part of the free
Sample of Comparative Example 6:
Substrate / Ta (10 nm) / AlO x / Ni 81 Fe 19 (2.2 nm) / AlO x / Ta (10 nm)
Sample of Example 10 (invention):
Substrate / Ta (10 nm) / AlO x / Ni 81 Fe 19 / NiFeO x / AlO x / Ta (10 nm)
The AlO x film closer to the substrate corresponds to the
図37に示されているように,実施例10の試料の自由強磁性層10の4πMs×tは,比較例6の試料の自由強磁性層10の4πMs×tよりも低かった。これは,自由強磁性層10の一部を酸化することによって積Ms×tの低減が実現可能であることを意味している。
As shown in FIG. 37, 4πM s × t of the free
積Ms×tを低減することにより,サブミクロンオーダのサイズの自由強磁性層10の反転磁界が低減可能であることを実証する為に,ドットパターンの磁化評価が行われた。磁気抵抗素子が,縦横のサイズが0.5×1.0μm2である長円型のドット状の試料に加工され,加工された試料が評価された。ドットへの加工はフォトリソグラフィーとイオンミリングを用いて行われた。形成された試料の積層構造は,下記のとおりである。
比較例7の試料:
基板/Ta(30nm)/Ni81Fe19(2nm)/Ir20Mn80/Co90Fe10/AlOx/Ni81Fe19(3nm)/Ta(10nm)
実施例11の試料(本発明):
基板/Ta(30nm)/Ni81Fe19(2nm)/Ir20Mn80/Co90Fe10/AlOx/Ni81Fe19(1.6nm)/AlOx/Ta(10nm)
基板に近い方のAlOx膜は,トンネル絶縁層9に対応し,トンネル絶縁層9に対応するAlOx膜の上に形成されたNi81Fe19膜は,自由強磁性層10に対応している。更に,基板から離れた方のAlOx膜は,酸化物層14に対応し,基板から離れたほうのTa膜は,上部コンタクト層15に対応している。トンネル絶縁層9に対応するAlOx膜は,1.5nmの厚さのAl膜が酸素プラズマによって酸化されることによって形成され,酸化物層14に対応するAlOx膜は,0.65nmの厚さのAl膜が酸素プラズマによって酸化されることによって形成されている。非磁性金属層としては,0.3nmのTa膜が使用されている。比較例7の試料の自由強磁性層10の膜厚は,従来技術による薄膜化の限界である3.0nmである。比較例7の試料の4πMs×tは,2.2(T・nm)であり,実施例11の試料の4πMs×tは,1.5(T・nm)であった。
In order to demonstrate that the reversal magnetic field of the free
Sample of Comparative Example 7:
Substrate / Ta (30 nm) / Ni 81 Fe 19 (2 nm) / Ir 20 Mn 80 / Co 90 Fe 10 / AlO x / Ni 81 Fe 19 (3 nm) / Ta (10 nm)
Sample of Example 11 (invention):
Substrate / Ta (30 nm) / Ni 81 Fe 19 (2 nm) / Ir 20 Mn 80 / Co 90 Fe 10 / AlO x / Ni 81 Fe 19 (1.6 nm) / AlO x / Ta (10 nm)
The AlO x film closer to the substrate corresponds to the
図38は,比較例7の試料と実施例11の試料の自由強磁性層の磁化曲線である。図38においては,反転磁界を比較できるように,オフセット磁場がキャンセルされていることに注意されたい。実施例11の試料の自由強磁性層の反転磁界は,10(Oe)であり,比較例7の試料の反転磁界18(Oe)よりも低かった。このように,4πMs×tが低減されている実施例11の試料は,その反転磁界も低減されていた。 FIG. 38 shows the magnetization curves of the free ferromagnetic layers of the sample of Comparative Example 7 and the sample of Example 11. Note that in FIG. 38, the offset magnetic field is canceled so that the reversed magnetic fields can be compared. The reversal magnetic field of the free ferromagnetic layer of the sample of Example 11 was 10 (Oe), which was lower than the reversal magnetic field 18 (Oe) of the sample of Comparative Example 7. Thus, in the sample of Example 11 in which 4πM s × t was reduced, the switching magnetic field was also reduced.
更に,酸化物層14の挿入が,自由強磁性層の磁気抵抗曲線の角型性を保ち反転磁界のバラツキを抑制することが,下記の積層構造を有する磁気抵抗素子の試料によって検証された。
比較例8の試料:
基板/Ta(30nm)/NiFe(2nm)/Ir20Mn80(10nm)/Co90Fe10(1.5nm)/AlOx/NiFe(3nm)/Ta(30nm)
比較例9の試料:
基板/Ta(30nm)/NiFe(2nm)/Ir20Mn80(10nm)/Co90Fe10(1.5nm)/AlOx/NiFe(4nm)/Ta(30nm)
実施例12の試料(本発明):
基板/Ta(30nm)/NiFe(2nm)/Ir20Mn80(10nm)/Co90Fe10(1.5nm)/AlOx/NiFe(2nm)/AlOx/Ta(30nm)
基板に近い方のAlOx膜は,トンネル絶縁層9に対応し,トンネル絶縁層9に対応するAlOx膜の上に形成されたNi81Fe19膜は,自由強磁性層10に対応している。比較例8,比較例9,及び実施例12の試料のNiFe膜は,いずれも,Ni組成比が82%よりも小さく,従って,NiFe膜の磁歪定数は,いずれも,正である。ただし,NiFe膜の組成は,異なっており,従って,磁歪定数も異なっている。比較例8,比較例9,及び実施例12の試料の自由強磁性層10の磁歪定数λは,それぞれ,約2×10−5,約9×10−7,約5×10−6である。
Further, it was verified by the sample of the magnetoresistive element having the following laminated structure that the insertion of the
Sample of Comparative Example 8:
Substrate / Ta (30 nm) / NiFe (2 nm) / Ir 20 Mn 80 (10 nm) / Co 90 Fe 10 (1.5 nm) / AlO x / NiFe (3 nm) / Ta (30 nm)
Sample of Comparative Example 9:
Substrate / Ta (30 nm) / NiFe (2 nm) / Ir 20 Mn 80 (10 nm) / Co 90 Fe 10 (1.5 nm) / AlO x / NiFe (4 nm) / Ta (30 nm)
Sample of Example 12 (invention):
Substrate / Ta (30 nm) / NiFe (2 nm) / Ir 20 Mn 80 (10 nm) / Co 90 Fe 10 (1.5 nm) / AlO x / NiFe (2 nm) / AlO x / Ta (30 nm)
The AlO x film closer to the substrate corresponds to the
磁気抵抗素子は,下記の工程によって形成された。AlCu配線からなるワード線(下部配線2に対応)が形成され,該ワード線の周りに層間絶縁膜としてSiO2膜が成膜された。更に,CMP (chemical mechanical polishing)によってSiO2膜が平坦化された後,平坦化されたSiO2膜の上に磁気抵抗素子を構成する積層膜が形成された。積層膜はマグネトロンスパッタ法により成膜した。各材料は放電アルゴン圧が0.2Pa以下,成膜レートが約0.2nm/sの条件で成膜された。トンネルバリアはAl層をスパッタ後,プラズマ酸化させることによって形成した。積層膜を275℃で5kOeの磁場中熱処理した後,フォトリソグラフィーとイオンミリングによって0.7×1.4μmの長円型に加工されて磁気抵抗素子が形成された。磁気抵抗素子のアスペクト比は,2である。磁気抵抗素子の自由強磁性層とトンネル絶縁層とが接合する接合面はワード線の上方に位置している。磁気抵抗素子とワード線とは直接には接続されていない。ワード線と磁気抵抗素子の接合面との距離は約200nmである。またワード線の幅は1μmである。この磁気抵抗素子の長軸方向はワード線方向に揃えられており、磁気抵抗素子の結晶磁気異方性は,磁場中における熱処理と磁場中におけるスパッタリングによって長軸方向に容易軸が揃えられている。ワード線の幅は磁気抵抗素子の短辺方向の幅と同程度である。更に,磁気抵抗素子の周りに層間絶縁膜としてSiO2膜が成膜される。成膜されたSiO2膜の磁気抵抗素子の直上の位置にビアが形成され,SiO2膜の上から全面にAlCu合金が成膜される。その後,AlCu合金をフォトリソグラフィーとエッチングによって加工してビット線(上部配線3に対応)が形成された。ビット線とワード線の方向は垂直である。磁ワード線により,磁気抵抗素子の短軸方向に強い圧縮応力が生じている。形成された磁気抵抗素子の自由強磁性層は磁歪定数が正なので,応力誘起磁気異方性は磁気抵抗素子の長軸方向に発生している。従って,結晶磁気異方性,形状磁気異方性,及び応力誘起磁気異方性は,その方向が殆ど揃っており,磁気抵抗素子は,その長軸方向を容易軸とする一軸磁気異方性を有している。 The magnetoresistive element was formed by the following process. A word line made of AlCu wiring (corresponding to the lower wiring 2) was formed, and an SiO 2 film was formed as an interlayer insulating film around the word line. Furthermore, after the SiO 2 film was planarized by CMP (chemical mechanical polishing), a laminated film constituting a magnetoresistive element was formed on the planarized SiO 2 film. The laminated film was formed by magnetron sputtering. Each material was formed under the conditions that the discharge argon pressure was 0.2 Pa or less and the film formation rate was about 0.2 nm / s. The tunnel barrier was formed by plasma oxidation after sputtering of the Al layer. The laminated film was heat-treated in a magnetic field of 5 kOe at 275 ° C. and then processed into a 0.7 × 1.4 μm oval shape by photolithography and ion milling to form a magnetoresistive element. The aspect ratio of the magnetoresistive element is 2. The junction surface where the free ferromagnetic layer and the tunnel insulating layer of the magnetoresistive element are joined is located above the word line. The magnetoresistive element and the word line are not directly connected. The distance between the word line and the junction surface of the magnetoresistive element is about 200 nm. The width of the word line is 1 μm. The major axis direction of this magnetoresistive element is aligned with the word line direction, and the crystalline magnetic anisotropy of the magnetoresistive element is aligned with the easy axis in the major axis direction by heat treatment in the magnetic field and sputtering in the magnetic field. . The width of the word line is about the same as the width of the magnetoresistive element in the short side direction. Further, an SiO 2 film is formed as an interlayer insulating film around the magnetoresistive element. Vias are formed at a position directly above the magnetoresistive elements of the formed SiO 2 film, AlCu alloy is deposited on the entire surface over the SiO 2 film. Thereafter, the AlCu alloy was processed by photolithography and etching to form a bit line (corresponding to the upper wiring 3). The direction of the bit line and the word line is vertical. A strong compressive stress is generated in the short axis direction of the magnetoresistive element by the magnetic word line. Since the magnetostriction constant of the free ferromagnetic layer of the formed magnetoresistive element is positive, stress-induced magnetic anisotropy occurs in the major axis direction of the magnetoresistive element. Therefore, crystal magnetic anisotropy, shape magnetic anisotropy, and stress-induced magnetic anisotropy are almost aligned, and the magnetoresistive element has uniaxial magnetic anisotropy with its long axis as the easy axis. have.
比較例8,9及び実施例12の磁気抵抗素子の試料が,無作為に10個ずつ選ばれ,選ばれた試料の自由強磁性層の磁気抵抗曲線が測定された。図39A〜図39Cは,測定された磁気抵抗曲線を示している。図39Aよりわかるように比較例8の磁気抵抗素子の自由強磁性層は,その4πMs×tが2.2(T・nm)と小さい。即ち,形状磁気異方性が小さいにも関わらず,比較例8の自由強磁性層の反転磁界は,21(Oe)と最も大きい。これは磁歪定数が大きいため応力誘起磁気異方性の増加によって反転磁界が増大したものと考えられる。また磁気抵抗曲線の角形性は良いがそのばらつきが大きい。これは自由強磁性層の膜厚が3nmと薄層化の限界に近い為、Ta膜とNiFe膜との間の相互拡散が大きく,組成ずれによる磁歪定数のばらつきが発生していることを示している。 Ten samples of the magnetoresistive elements of Comparative Examples 8 and 9 and Example 12 were randomly selected, and the magnetoresistance curves of the free ferromagnetic layers of the selected samples were measured. 39A to 39C show the measured magnetoresistance curves. As can be seen from FIG. 39A, the free ferromagnetic layer of the magnetoresistive element of Comparative Example 8 has a small 4πM s × t of 2.2 (T · nm). That is, although the shape magnetic anisotropy is small, the switching magnetic field of the free ferromagnetic layer of Comparative Example 8 is the largest at 21 (Oe). This is thought to be because the reversal magnetic field increased due to the increase in stress-induced magnetic anisotropy due to the large magnetostriction constant. Further, the squareness of the magnetoresistance curve is good, but the variation is large. This indicates that the thickness of the free ferromagnetic layer is 3 nm, which is close to the limit of thinning, so that the mutual diffusion between the Ta film and the NiFe film is large and the magnetostriction constant varies due to the composition shift. ing.
図39Bに示されているように,比較例9の磁気抵抗素子は,反転磁場が13(Oe)と最も小さいが磁気抵抗曲線の角形性が悪くループが寝てしまっている。磁気抵抗曲線に現れるバルクハウゼンノイズも多い。これは磁歪定数が非常に小さく応力誘起異方性が殆どないため一軸異方性が弱まり反転磁場が小さくなったこと、自由強磁性層の4πMs×tが3.2(T・nm)と大きく,且つ,素子アスペクト比が2と小さいことによって反磁場の影響が強くなっていることを反映しているものと考えられる。比較例9の磁気抵抗素子の磁気抵抗曲線の角形性やばらつきを改善するにはアスペクト比を大きくして反磁場を減らし形状異方性を強めなければならない。これは,素子サイズの増大や反転磁場の増大という問題点が生じる。 As shown in FIG. 39B, the magnetoresistive element of Comparative Example 9 has the smallest reversal magnetic field of 13 (Oe), but the squareness of the magnetoresistive curve is poor and the loop lies down. There are also many Barkhausen noises appearing in the magnetoresistance curve. This is because the magnetostriction constant is very small and there is almost no stress-induced anisotropy, so the uniaxial anisotropy is weakened and the reversal magnetic field is reduced, and 4πM s × t of the free ferromagnetic layer is 3.2 (T · nm). This is considered to reflect the fact that the influence of the demagnetizing field is increased due to the large element aspect ratio of 2. In order to improve the squareness and variation of the magnetoresistive curve of the magnetoresistive element of Comparative Example 9, the aspect ratio must be increased to reduce the demagnetizing field and increase the shape anisotropy. This causes problems such as an increase in element size and an increase in switching magnetic field.
図39Cに示されているように,実施例12の磁気抵抗素子は,自由強磁性層の反転磁場が16(Oe)と小さく,磁気抵抗曲線の角形性が良く,且つ,反転磁場のばらつきも最も小さくて優れている。これは,本発明の磁気抵抗素子は磁歪定数のばらつきを抑え,安定な応力誘起磁気異方性を適度に誘起していること、自由強磁性層の4πMs×tが,約2(T・nm)と最も小さいことから反磁場が小さく形状磁気異方性も小さいことによるものと考えられる。 As shown in FIG. 39C, in the magnetoresistive element of Example 12, the reversal field of the free ferromagnetic layer is as small as 16 (Oe), the squareness of the magnetoresistance curve is good, and the variation of the reversal field is also large. Smallest and excellent. This is because the magnetoresistive element of the present invention suppresses variations in the magnetostriction constant and appropriately induces stable stress-induced magnetic anisotropy, and the 4πM s × t of the free ferromagnetic layer is about 2 (T · nm), the demagnetizing field is small and the shape magnetic anisotropy is also small.
応力誘起磁気異方性が適切に制御されている本発明の磁気抵抗素子が,小さなアスペクト比と特性の安定化とを両方実現できることが,下記の実験によって実証された。様々なアスペクト比を有する比較例9及び実施例12の磁気抵抗素子が形成された。磁気抵抗素子の短軸の長さは0.5又は0.7μmであり,アスペクト比は,1.0〜3.5であった。磁歪定数が大きい実施例12の試料は,形状磁気異方性に対する応力誘起磁気異方性の比K2/K3が比較的に大きく,全てのアスペクト比の試料において、その比K2/K3は0.6以上である。全ての実施例12の試料のうち,アスペクト比が1.6以下の試料は,応力誘起磁気異方性が形状磁気異方性よりも大きい,即ち,比K2/K3が1.0以上であることに留意されたい。それぞれの条件について30個の磁気抵抗素子が形成され,形成された磁気抵抗素子の磁気抵抗曲線が評価された。更に,磁気抵抗素子の歩留まりが算出された。歩留まりの算出においては,磁気抵抗曲線に異常を有する磁気抵抗素子,例えば,磁気抵抗曲線にバルクハウゼンノイズが見られる試料,及びループの形状が寝てしまっている試料は,不良試料であると定義された。 The following experiment proved that the magnetoresistive element of the present invention in which the stress-induced magnetic anisotropy is appropriately controlled can realize both a small aspect ratio and stabilization of characteristics. The magnetoresistive elements of Comparative Example 9 and Example 12 having various aspect ratios were formed. The short axis length of the magnetoresistive element was 0.5 or 0.7 μm, and the aspect ratio was 1.0 to 3.5. The sample of Example 12 having a large magnetostriction constant has a relatively large ratio K2 / K3 of the stress-induced magnetic anisotropy to the shape magnetic anisotropy. 6 or more. Of all the samples of Example 12, the sample having an aspect ratio of 1.6 or less has a stress-induced magnetic anisotropy larger than the shape magnetic anisotropy, that is, the ratio K2 / K3 is 1.0 or more. Please note that. Thirty magnetoresistive elements were formed for each condition, and the magnetoresistive curves of the formed magnetoresistive elements were evaluated. Furthermore, the yield of the magnetoresistive element was calculated. In calculating the yield, a magnetoresistive element having an abnormality in a magnetoresistive curve, for example, a sample in which Barkhausen noise is seen in the magnetoresistive curve, and a sample in which the loop shape is lying are defined as defective samples. It was done.
図40は,磁気抵抗素子の歩留まりを示すグラフである。磁歪定数が小さい(即ち,応力誘起磁気異方性が小さい)比較例9の磁気抵抗素子は,アスペクト比が3.5である試料のみしか充分に大きな歩留まりを示さない。これは,比較例9の試料は,形状磁気異方性による特性の安定化が必要であることを意味している。一方,充分に大きな応力誘起磁気異方性が与えられている実施例12の磁気抵抗素子は,1.0から3.5のアスペクト比範囲の全域に渡って,充分な歩留まりを示している。これは,応力誘起磁気異方性を形状磁気異方性よりも大きくすることにより,2以下のアスペクト比範囲でも充分に大きな歩留まりを得ることができることを示している。 FIG. 40 is a graph showing the yield of magnetoresistive elements. The magnetoresistive element of Comparative Example 9 having a small magnetostriction constant (that is, a small stress-induced magnetic anisotropy) shows a sufficiently large yield only for a sample having an aspect ratio of 3.5. This means that the sample of Comparative Example 9 needs to stabilize the characteristics due to shape magnetic anisotropy. On the other hand, the magnetoresistive element of Example 12 to which a sufficiently large stress-induced magnetic anisotropy is given exhibits a sufficient yield over the entire aspect ratio range of 1.0 to 3.5. This shows that a sufficiently large yield can be obtained even in an aspect ratio range of 2 or less by making the stress-induced magnetic anisotropy larger than the shape magnetic anisotropy.
1:基板
2:下部配線
3:上部配線
4:磁気抵抗素子
5,5’:シード層
6,6’:バッファ層
7,7’:反強磁性層
8:固定強磁性層
8a:複合磁性層
8b:金属強磁性層
9:トンネル絶縁層
10:自由強磁性層
10a,10d,10i:金属強磁性層
10b,10e,10g:複合磁性層
10c,10h:ソフト強磁性層
10f:非磁性層
11:ビア
12,12’:下部コンタクト層
13,13’:酸化物層
14:酸化物層
15,15’:上部コンタクト層
16:保護層
17:強磁性層
18:反強磁性層
19:保護層
20:磁気バイアス層
21:酸化物層
22:ビア
1: Substrate 2: Lower wiring 3: Upper wiring 4:
Claims (22)
前記磁気抵抗素子を他の素子に電気的に接続する非磁性の導体と,
前記導体と前記磁気抵抗素子との間に設けられた拡散防止構造体と,
を備え,
前記拡散防止構造体は,その上面及び下面で接する層を構成する元素よりも酸化物生成自由エネルギーが低い元素の酸化物で形成される
ことを特徴とする磁気抵抗デバイス。 A free ferromagnetic layer having reversible free spontaneous magnetization, a fixed ferromagnetic layer having fixed fixed spontaneous magnetization, and a tunnel insulating layer interposed between the free ferromagnetic layer and the fixed ferromagnetic layer A magnetoresistive element including:
A nonmagnetic conductor electrically connecting the magnetoresistive element to another element;
A diffusion preventing structure provided between the conductor and the magnetoresistive element;
With
The diffusion preventing structure is formed of an oxide of an element having a lower free energy for oxide formation than an element constituting a layer in contact with the upper surface and the lower surface.
A magnetoresistive device characterized by that .
ことを特徴とする,請求項1に記載の磁気抵抗デバイスThe magnetoresistive device according to claim 1,
前記磁気抵抗素子を他の素子に電気的に接続する非磁性の導体と,
前記導体と前記磁気抵抗素子との間に設けられた拡散防止構造体と,
を備え,
前記拡散防止構造体は,その上面及び下面で接する層を構成する元素よりも酸化物生成自由エネルギー及び窒化物生成自由エネルギーが低い元素の酸窒化物で形成される
ことを特徴とする磁気抵抗デバイス。 A free ferromagnetic layer having reversible free spontaneous magnetization, a fixed ferromagnetic layer having fixed fixed spontaneous magnetization, and a tunnel insulating layer interposed between the free ferromagnetic layer and the fixed ferromagnetic layer A magnetoresistive element including:
A nonmagnetic conductor electrically connecting the magnetoresistive element to another element;
A diffusion preventing structure provided between the conductor and the magnetoresistive element;
With
The diffusion prevention structure is formed of an oxynitride of an element having lower oxide formation free energy and nitride formation free energy than an element constituting a layer in contact with the upper and lower surfaces
A magnetoresistive device characterized by that .
ことを特徴とする,請求項3に記載の磁気抵抗デバイスThe magnetoresistive device according to claim 3, wherein
前記磁気抵抗素子を他の素子に電気的に接続する非磁性の導体と,
前記導体と前記磁気抵抗素子との間に設けられた拡散防止構造体と,
を備え,
前記拡散防止構造体は酸化物層であり,且つ前記トンネル絶縁層と同一の材料で形成される
ことを特徴とする磁気抵抗デバイス。 A free ferromagnetic layer having reversible free spontaneous magnetization, a fixed ferromagnetic layer having fixed fixed spontaneous magnetization, and a tunnel insulating layer interposed between the free ferromagnetic layer and the fixed ferromagnetic layer A magnetoresistive element including:
A nonmagnetic conductor electrically connecting the magnetoresistive element to another element;
A diffusion preventing structure provided between the conductor and the magnetoresistive element;
With
The diffusion prevention structure is an oxide layer and is formed of the same material as the tunnel insulating layer.
A magnetoresistive device characterized by that .
ことを特徴とする,請求項1,2,5のいずれか一項に記載の磁気抵抗デバイス。 The diffusion prevention structure is thinner than the tunnel insulating layer
The magnetoresistive device according to any one of claims 1, 2, and 5, characterized in that:
前記磁気抵抗素子を他の素子に電気的に接続する非磁性の導体と,
前記導体と前記磁気抵抗素子との間に設けられた拡散防止構造体と,
を備え,
前記拡散防止構造体は,AlN,SiN,BN,ZrNからなる群から選択された材料で形成される
ことを特徴とする磁気抵抗デバイス。 A free ferromagnetic layer having reversible free spontaneous magnetization, a fixed ferromagnetic layer having fixed fixed spontaneous magnetization, and a tunnel insulating layer interposed between the free ferromagnetic layer and the fixed ferromagnetic layer A magnetoresistive element including:
A nonmagnetic conductor electrically connecting the magnetoresistive element to another element;
A diffusion preventing structure provided between the conductor and the magnetoresistive element;
With
The diffusion prevention structure is formed of a material selected from the group consisting of AlN, SiN, BN, and ZrN.
A magnetoresistive device characterized by that .
ことを特徴とする,請求項1乃至7のいずれか一項に記載の磁気抵抗デバイス。 The diffusion preventing structure has a function of preventing at least one of materials constituting the conductor from diffusing into the magnetoresistive element.
A magnetoresistive device according to any one of claims 1 to 7, characterized in that
ことを特徴とする,請求項1乃至7のいずれか一項に記載の磁気抵抗デバイス。 The diffusion preventing structure has a function of preventing at least one of the materials constituting the magnetoresistive element from diffusing into the conductor.
A magnetoresistive device according to any one of claims 1 to 7, characterized in that
ことを特徴とする,請求項1乃至9のいずれか一項に記載の磁気抵抗デバイス。 The conductor includes at least one element selected from the group consisting of Al, Cu, Ta, Ru, Zr, Ti, Mo, and W.
The magnetoresistive device according to any one of claims 1 to 9, wherein the magnetoresistive device is characterized in that
ことを特徴とする,請求項1乃至10のいずれか一項に記載の磁気抵抗デバイス。 The resistance in the thickness direction of the diffusion preventing structure is lower than the resistance in the thickness direction of the tunnel insulating layer.
The magnetoresistive device according to claim 1, wherein the magnetoresistive device is a magnetic resistance device.
ことを特徴とする,請求項1乃至11のいずれか一項に記載の磁気抵抗デバイス。 The diffusion preventing structure is a film having a thickness of 5 nm or less.
The magnetoresistive device according to any one of claims 1 to 11, wherein the magnetoresistive device is characterized in that
前記磁気抵抗素子を他の素子に電気的に接続する非磁性の導体と,
前記導体と前記磁気抵抗素子との間に設けられた拡散防止構造体と,
を備え,
前記導体は,前記トンネル絶縁層を介さずに前記固定強磁性層に電気的に接続される第1導体と,
前記トンネル絶縁層を介さずに前記自由強磁性層に電気的に接続される第2導体と,
を含み,
前記拡散防止構造体は,前記第1導体と前記固定強磁性層との間に介設される第1拡散防止層と,
前記第2導体と前記自由強磁性層との間に介設される第2拡散防止層と,
を含み,
前記第1拡散防止層は,酸化物及び酸窒化物からなる群のうちから選択された材料で形成され,
前記第2拡散防止層は,酸化物及び酸窒化物からなる群のうちから選択された材料で形成されている
ことを特徴とする,磁気抵抗デバイス。 A free ferromagnetic layer having reversible free spontaneous magnetization, a fixed ferromagnetic layer having fixed fixed spontaneous magnetization, and a tunnel insulating layer interposed between the free ferromagnetic layer and the fixed ferromagnetic layer A magnetoresistive element including:
A nonmagnetic conductor electrically connecting the magnetoresistive element to another element;
A diffusion preventing structure provided between the conductor and the magnetoresistive element;
With
The conductor includes a first conductor electrically connected to the fixed ferromagnetic layer without the tunnel insulating layer;
A second conductor electrically connected to the free ferromagnetic layer without passing through the tunnel insulating layer;
Including
The diffusion prevention structure includes a first diffusion prevention layer interposed between the first conductor and the fixed ferromagnetic layer;
A second diffusion preventing layer interposed between the second conductor and the free ferromagnetic layer;
Only including,
The first diffusion barrier layer is formed of a material selected from the group consisting of oxides and oxynitrides,
The second diffusion barrier layer is formed of a material selected from the group consisting of oxides and oxynitrides.
This is a magnetoresistive device.
前記磁気抵抗素子を他の素子に電気的に接続する非磁性の導体と,
前記導体と前記磁気抵抗素子との間に設けられた拡散防止構造体と,
を備え,
前記導体は,前記トンネル絶縁層を介さずに前記固定強磁性層に電気的に接続される第1導体と,
前記トンネル絶縁層を介さずに前記自由強磁性層に電気的に接続される第2導体と,
を含み,
前記拡散防止構造体は,前記第1導体と前記固定強磁性層との間に介設される第1拡散防止層と,
前記第2導体と前記自由強磁性層との間に介設される第2拡散防止層と,
を含み,
前記第1拡散防止層は,その上面及び下面で接する層を構成する元素よりも酸化物生成エネルギーが低い元素の酸化物,又は,その上面及び下面で接する層を構成する元素よりも酸化物生成自由エネルギー及び窒化物生成自由エネルギーが低い元素の酸窒化物のいずれかで形成され,
前記第2拡散防止層は,その上面及び下面で接する層を構成する元素よりも酸化物生成エネルギーが低い元素の酸化物,又は,その上面及び下面で接する層を構成する元素よりも酸化物生成自由エネルギー及び窒化物生成自由エネルギーが低い元素の酸窒化物のいずれかで形成される
ことを特徴とする,磁気抵抗デバイス。 A free ferromagnetic layer having reversible free spontaneous magnetization, a fixed ferromagnetic layer having fixed fixed spontaneous magnetization, and a tunnel insulating layer interposed between the free ferromagnetic layer and the fixed ferromagnetic layer A magnetoresistive element including:
A nonmagnetic conductor electrically connecting the magnetoresistive element to another element;
A diffusion preventing structure provided between the conductor and the magnetoresistive element;
With
The conductor includes a first conductor electrically connected to the fixed ferromagnetic layer without the tunnel insulating layer;
A second conductor electrically connected to the free ferromagnetic layer without passing through the tunnel insulating layer;
Including
The diffusion prevention structure includes a first diffusion prevention layer interposed between the first conductor and the fixed ferromagnetic layer;
A second diffusion preventing layer interposed between the second conductor and the free ferromagnetic layer;
Including
The first diffusion prevention layer is an oxide of an element having an oxide generation energy lower than that of an element constituting a layer in contact with the upper surface and the lower surface thereof, or an oxide generation than an element constituting a layer in contact with the upper surface and the lower surface of the first diffusion prevention layer. Formed of either oxynitrides of elements with low free energy and low free energy of nitride formation,
The second diffusion prevention layer is an oxide of an element having an oxide generation energy lower than that of an element constituting a layer in contact with the upper surface and the lower surface thereof, or an oxide generation than an element constituting a layer in contact with the upper surface and the lower surface of the second diffusion prevention layer. Formed with either oxynitrides of elements with low free energy and low free energy for nitride formation
This is a magnetoresistive device.
前記磁気抵抗素子を他の素子に電気的に接続する非磁性の導体と,
前記導体と前記磁気抵抗素子との間に設けられた拡散防止構造体と,
を備え,
前記導体は,前記トンネル絶縁層を介さずに前記固定強磁性層に電気的に接続される第1導体と,
前記トンネル絶縁層を介さずに前記自由強磁性層に電気的に接続される第2導体と,
を含み,
前記拡散防止構造体は,前記第1導体と前記固定強磁性層との間に介設される第1拡散防止層と,
前記第2導体と前記自由強磁性層との間に介設される第2拡散防止層と,
を含み,
前記第1拡散防止層は,AlN,SiN,BN,ZrNからなる群から選択された材料で形成され,
前記第2拡散防止層は,AlN,SiN,BN,ZrNからなる群から選択された材料で形成される
ことを特徴とする,磁気抵抗デバイス。 A free ferromagnetic layer having reversible free spontaneous magnetization, a fixed ferromagnetic layer having fixed fixed spontaneous magnetization, and a tunnel insulating layer interposed between the free ferromagnetic layer and the fixed ferromagnetic layer A magnetoresistive element including:
A nonmagnetic conductor electrically connecting the magnetoresistive element to another element;
A diffusion preventing structure provided between the conductor and the magnetoresistive element;
With
The conductor includes a first conductor electrically connected to the fixed ferromagnetic layer without the tunnel insulating layer;
A second conductor electrically connected to the free ferromagnetic layer without passing through the tunnel insulating layer;
Including
The diffusion prevention structure includes a first diffusion prevention layer interposed between the first conductor and the fixed ferromagnetic layer;
A second diffusion preventing layer interposed between the second conductor and the free ferromagnetic layer;
Including
The first diffusion barrier layer is formed of a material selected from the group consisting of AlN, SiN, BN, and ZrN,
The second diffusion barrier layer is formed of a material selected from the group consisting of AlN, SiN, BN, and ZrN.
This is a magnetoresistive device.
前記磁気抵抗素子を他の素子に電気的に接続する非磁性の導体と,
前記導体と前記磁気抵抗素子との間に設けられた拡散防止構造体と,
を備え,
前記導体は,前記トンネル絶縁層を介さずに前記固定強磁性層に電気的に接続される第1導体を含み,
前記拡散防止構造体は,前記固定強磁性層と前記第1導体との間に介設される第1拡散防止層を含み,
前記磁気抵抗素子は,前記固定強磁性層に接合され,且つ,Mnを含む反強磁性層を更に含み,
前記反強磁性層は,前記固定強磁性層と前記拡散防止層との間に位置し,
前記第1拡散防止層は,酸化物及び酸窒化物からなる群のうちから選択された材料で形成されている
ことを特徴とする,磁気抵抗デバイス。 A free ferromagnetic layer having reversible free spontaneous magnetization, a fixed ferromagnetic layer having fixed fixed spontaneous magnetization, and a tunnel insulating layer interposed between the free ferromagnetic layer and the fixed ferromagnetic layer A magnetoresistive element including:
A nonmagnetic conductor electrically connecting the magnetoresistive element to another element;
A diffusion preventing structure provided between the conductor and the magnetoresistive element;
With
The conductor includes a first conductor electrically connected to the fixed ferromagnetic layer without the tunnel insulating layer;
The diffusion prevention structure includes a first diffusion prevention layer interposed between the fixed ferromagnetic layer and the first conductor,
The magnetoresistive element further includes an antiferromagnetic layer bonded to the pinned ferromagnetic layer and containing Mn,
The antiferromagnetic layer is located between the pinned ferromagnetic layer and the diffusion barrier layer;
The first diffusion prevention layer is formed of a material selected from the group consisting of oxides and oxynitrides.
This is a magnetoresistive device.
Mnを含む前記反強磁性層と前記導体との間,又は,前記Ni含有強磁性膜と前記導体との間に,前記拡散防止構造体を有する
ことを特徴とする,請求項16に記載の磁気抵抗デバイス。 The free ferromagnetic layer includes a Ni-containing ferromagnetic film containing Ni,
The diffusion preventing structure is provided between the antiferromagnetic layer containing Mn and the conductor, or between the Ni-containing ferromagnetic film and the conductor.
The magnetoresistive device according to claim 16, wherein
前記磁気抵抗素子を他の素子に電気的に接続する非磁性の導体と,
前記導体と前記磁気抵抗素子との間に設けられた拡散防止構造体と,
を備え,
前記導体は,前記トンネル絶縁層を介さずに前記自由強磁性層に電気的に接続される第2導体を含み,
前記拡散防止構造体は,前記自由強磁性層と前記第2導体との間に介設される第2拡散防止層を含み,
前記第2拡散防止層は,酸化物及び酸窒化物からなる群のうちから選択された材料で形成されている
ことを特徴とする,磁気抵抗デバイス。 A free ferromagnetic layer having reversible free spontaneous magnetization, a fixed ferromagnetic layer having fixed fixed spontaneous magnetization, and a tunnel insulating layer interposed between the free ferromagnetic layer and the fixed ferromagnetic layer A magnetoresistive element including:
A nonmagnetic conductor electrically connecting the magnetoresistive element to another element;
A diffusion preventing structure provided between the conductor and the magnetoresistive element;
With
The conductor includes a second conductor electrically connected to the free ferromagnetic layer without the tunnel insulating layer;
The diffusion prevention structure includes a second diffusion prevention layer interposed between the free ferromagnetic layer and the second conductor,
The second diffusion barrier layer is formed of a material selected from the group consisting of oxides and oxynitrides.
This is a magnetoresistive device.
前記第2拡散防止層は,前記Ni含有強磁性膜に直接に接する
ことを特徴とする,請求項18に記載の磁気抵抗デバイス。 The free ferromagnetic layer includes a Ni-containing ferromagnetic film containing Ni,
The second diffusion preventing layer is in direct contact with the Ni-containing ferromagnetic film.
The magnetoresistive device according to claim 18, wherein:
前記磁気抵抗素子を他の素子に電気的に接続する非磁性の導体と,
前記導体と前記磁気抵抗素子との間に設けられた拡散防止構造体と,
を備え,
前記導体は,前記トンネル絶縁層を介さずに前記自由強磁性層に電気的に接続される第2導体を含み,
前記拡散防止構造体は,前記自由強磁性層と前記第2導体との間に介設される第2拡散防止層を含み,
前記第2拡散防止層は,前記自由強磁性層に直接に接合され,
前記自由強磁性層の膜厚は3nm以下である
ことを特徴とする,磁気抵抗デバイス。 A free ferromagnetic layer having reversible free spontaneous magnetization, a fixed ferromagnetic layer having fixed fixed spontaneous magnetization, and a tunnel insulating layer interposed between the free ferromagnetic layer and the fixed ferromagnetic layer A magnetoresistive element including:
A nonmagnetic conductor electrically connecting the magnetoresistive element to another element;
A diffusion preventing structure provided between the conductor and the magnetoresistive element;
With
The conductor includes a second conductor electrically connected to the free ferromagnetic layer without the tunnel insulating layer;
The diffusion prevention structure includes a second diffusion prevention layer interposed between the free ferromagnetic layer and the second conductor,
The second diffusion barrier layer is directly bonded to the free ferromagnetic layer;
The film thickness of the free ferromagnetic layer is 3 nm or less
This is a magnetoresistive device.
ことを特徴とする,請求項20に記載の磁気抵抗デバイス。 21. The magnetoresistive device according to claim 20, wherein a product of a saturation magnetization and a film thickness of the free ferromagnetic layer is 3 (T · nm) or less.
前記磁気抵抗素子は,更に前記自由強磁性層にバイアス磁場を印加する磁気バイアス素子を含み,
前記磁気バイアス素子は,磁気バイアス用強磁性層と前記磁気バイアス用強磁性層に接合され,Mnを含む磁気バイアス用反強磁性層とを備え,
前記拡散防止構造体は,前記磁気バイアス素子と前記自由強磁性層との間に介設される第3拡散防止構造体と,
前記磁気バイアス素子と前記第2導体との間に介設される第4拡散防止構造体と,
を含むことを特徴とする,請求項1に記載の磁気抵抗デバイス。 The conductor includes a second conductor electrically connected to the free ferromagnetic layer without the tunnel insulating layer;
The magnetoresistive element further includes a magnetic bias element that applies a bias magnetic field to the free ferromagnetic layer,
The magnetic bias element includes a magnetic bias ferromagnetic layer and a magnetic bias antiferromagnetic layer bonded to the magnetic bias ferromagnetic layer and containing Mn,
The diffusion prevention structure includes a third diffusion prevention structure interposed between the magnetic bias element and the free ferromagnetic layer;
A fourth diffusion preventing structure interposed between the magnetic bias element and the second conductor;
The magnetoresistive device according to claim 1, comprising:
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